伽马射线能量跟踪阵列(GRETA)是一种先进的高纯度锗晶体球状阵列,可测量伽马射线信号,揭示原子核结构和内部作用的细节。2020年10月7日,美国能源部批准了GRETA项目,包括工作范围、进度表以及建设工程规划,这是一个关键的里程碑事件。
伽马射线是一种能量大、穿透力强的射线,当原子核从不稳定状态衰变为更稳定的状态时就会发出伽马射线。GRETA将提供有关物质性质和恒星如何创造元素的新见解,预计第一阶段的工作将在2023年完成,最终于2025年完工。它以伽马射线能量跟踪束内核阵列(GRETINA)为基础,该仪器的伽马射线探测晶体较少。
伯克利实验室在GRETINA和GRETA项目中发挥了领导作用,其核物理学家和工程师正在与阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室以及密歇根州立大学的团队合作开发GRETA。获得批准标志着成功完成了最终设计,并已经准备好建造这一阵列。下一个关键步骤是制造一米宽的铝制球体,以容纳探测器。
GRETINA和GRETA将安装在密歇根州立大学的稀有同位素束流设施(FRIB)中,该设施将于2022年投入运行。9月29日,FRIB被正式指定为美国能源部科学办公室用户设施的新成员。这样的用户设施现有28个,向美国和世界各地科学家开放。已有约1400名科学用户排队申请该设施的核物理实验。FRIB仍在建设中,进度约94%。
GRETINA配备了12个探测器模块和48个探测器晶体,GRETA还将增加18个探测器模块,共计30个模块和120个晶体。预计2024年底前将在GRETA内安装约18—20个探测器模块,2025年安装最终模块。
FRIB产生的稀有同位素束流击中固定目标时,可发生多种核反应。这些反应可以产生不同寻常的原子核,原子核发射出一系列伽马射线,从而提供关于原子核内部结构的信息。GRETA将全面包围这些目标,以获得各个方向和各种能量的伽马射线详细数据。超快电子技术将使探测器每个晶体每秒捕获多达5万个信号,专用计算集群将对每秒检测到的48万个伽马射线之间的相互作用进行实时处理。
FRIB将配备一台强大的加速器,可以利用像铀这样重的元素产生粒子束,具备利用高能束爆破目标的能力,可创造和研究1000多种新同位素。GRETA的设计非常灵活,可以容纳多种实验仪器,也可以移动,因此可以在FRIB的不同实验场所和其他设施使用,其还将服务于阿贡国家实验室的阿贡串列直线加速器系统(ATLAS)。GRETA将是FRIB许多实验的关键——计划在FRIB进行的实验中,约三分之二的研究将使用GRETA探测器。
GRETA的用途之一是在同位素变得不稳定之前,研究其富含中子的形式。这个极端状态被称为原子核滴线(drip line),代表了同位素无法携带更多中子之前的临界形式。GRETA还将被用于识别梨形(pear-like)原子核。此类实验将帮助科学家了解原子核性质的极限,提供关键数据,发现新的原子核,检验对自然界基本相互作用和支配物质结构作用力的理解。FRIB和GRETA在核科学实验中的灵敏度将比现有加速器和探测器的灵敏度高出10到100倍。
GRETA将在伯克利实验室进行建造、组装和测试,然后运往FRIB。伯克利实验室领导探测器的开发,并负责监督交付过程,同时还领导GRETA信号处理电子、计算和机械系统的设计和制造,大约25名伯克利实验室的科学家和工程师参与了GRETA项目;阿贡实验室正在开发有关触发和定时系统的电子设备;密歇根州立大学负责表征探测器性能;橡树岭实验室负责实时信号处理,以定位GRETA晶体内的伽马射线相互作用。GRETA建成后,伯克利实验室将继续在其电子、计算、升级、以及配置仪器方面发挥作用。