Οι φυσικοί αναπαράγουν ξεχασμένο πείραμα με σημείο αναφοράς τη σύντηξη – Ο λόγος

Μια συνεργασία στο Los Alamos αναπαρήγαγε ένα σημαντικό αλλά σε μεγάλο βαθμό ξεχασμένο πείραμα φυσικής: την πρώτη παρατήρηση σύντηξης δευτερίου-τριτίου (DT).

Όπως περιγράφεται στο άρθρο που δημοσιεύθηκε στο Physical Review C, η αναδημιουργία του  αυτού πειράματος επιβεβαίωσε τον ρόλο του φυσικού του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν Arthur Ruhlig, του οποίου το πείραμα του 1938 και η παρατήρηση της σύντηξης DT πιθανώς φύτεψαν τον σπόρο για μια φυσική διεργασία που επηρεάζει μέχρι σήμερα την έρευνα στην εθνική ασφάλεια και την πυρηνική ενέργεια.

Arthur Ruhlig: Πείραμα και σύντηξη

«Όπως αποκαλύψαμε, η συμβολή του Ruhlig ήταν να υποθέσει ότι η σύντηξη DT συμβαίνει με πολύ υψηλή πιθανότητα όταν το δευτέριο και το τρίτιο φέρονται αρκετά κοντά», δήλωσε ο Mark Chadwick, αναπληρωτής διευθυντής Επιστήμης, Υπολογιστικής και Θεωρίας στο Εργαστήριο Los Alamos. «Η αναπαραγωγή του πειράματός του μάς βοήθησε να ερμηνεύσουμε το έργο του και να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο του και τα ουσιαστικά ορθά συμπεράσματά του. Η πορεία της φυσικής των πυρηνικών καυσίμων επιβεβαίωσε τις βαθιές συνέπειες της ευφυούς διαίσθησης του Arthur Ruhlig».

Η αντίδραση σύντηξης DT είναι κεντρικής σημασίας για την υλοποίηση τεχνολογιών σύντηξης, είτε στο πλαίσιο της πυρηνικής αποτροπής ενός έθνους είτε στις συνεχιζόμενες προσπάθειες ανάπτυξης σύντηξης για πολιτική ενέργεια. Για παράδειγμα, η αντίδραση δευτερίου-τριτίου βρίσκεται στο επίκεντρο των προσπαθειών στο National Ignition Facility για την αξιοποίηση της σύντηξης. Οι φυσικοί του Los Alamos διατύπωσαν μια θεωρία για την προέλευση αυτής της ιδέας – τον Ruhlig – και στη συνέχεια σχεδίασαν ένα πείραμα για να επιβεβαιώσουν τη σημασία και την ακρίβεια της υπόθεσής του.

Εντοπίζοντας την αρχή της σύντηξης DT

Το 2023, ο Chadwick συνεργαζόταν με συναδέλφους, μεταξύ των οποίων ο θεωρητικός φυσικός Mark Paris, σε μια σύνοψη της πρώιμης ιστορίας της ανάπτυξης της σύντηξης. Ένα σχετικά γνωστό μέρος αυτής της ιστορίας είναι η πρόταση – σε συνέδριο φυσικής στο Μπέρκλεϋ τον Ιούλιο του 1942, οργανωμένο από τον μελλοντικό διευθυντή του Manhattan Project J. Robert Oppenheimer – του φυσικού Emil Konopinski ότι η σύντηξη DT, μεταξύ πολλών πιθανών αντιδράσεων σύντηξης, θα ήταν ιδιαίτερα πλεονεκτική ως μέρος ενός όπλου με αντίδραση σχάσης.

Αλλά ο Chadwick και οι συνεργάτες του στο Los Alamos αναρωτήθηκαν: Πώς έφτασε ο Konopinski σε αυτό το συμπέρασμα για τη σύντηξη DT; Η επιλογή της πλέον βιώσιμης διαδικασίας σύντηξης τόσο νωρίς στο πρόγραμμα – το Manhattan Project είχε ξεκινήσει ουσιαστικά μόνο λίγους μήνες πριν – αποδείχθηκε σίγουρα τυχερή απόφαση.

Κατά την αναζήτηση στο αρχείο του National Security Research Center ένα βράδυ, ο Chadwick ανακάλυψε μια ηχογράφηση του 1986 με τον Konopinski, ο οποίος αφηγείται τη λήψη αποφάσεων σχετικά με τις αντιδράσεις δευτερίου-τριτίου. (Η ομάδα ανάρτησε την ηχογράφηση του Konopinski στο YouTube.) Η φωνή του από το παρελθόν, αναλογιζόμενη ένα ακόμη πιο μακρινό παρελθόν, απέδιδε αρκετές φορές το ενδιαφέρον του για τη σύντηξη DT στη γνώση του για την «προπολεμική» έρευνα.

Το τρίτιο ανακαλύφθηκε το 1934 από την ομάδα του Ernest Rutherford. Ο Rutherford ήταν κολοσσός της πρώιμης φυσικής, έχοντας διαμορφώσει το πρότυπο του ατόμου με τον Niels Bohr και επιβλέποντας την ανακάλυψη του νετρονίου από τον James Chadwick. Από το 1934, ο Paris έψαξε την επιστημονική βιβλιογραφία και τελικά εντόπισε ένα άρθρο του Ruhlig, το 1938, με τη μορφή επιστολής προς τον εκδότη στο Physical Review, σχετικά με πείραμα ακτίνων γάμμα.

Ο Ruhlig μελετούσε αλληλεπιδράσεις δευτερίου-με-δευτέριο: βομβαρδίζοντας δευτέριο με δέσμη δευτερονίων και μελετώντας τα αποτελέσματα σε ακτίνες γάμμα. Σχεδόν παρεμπιπτόντως, στην τελευταία παράγραφο της επιστολής, περιγράφει την παρατήρηση πρωτονίων με εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, συμπεραίνοντας ότι παράχθηκαν από δευτερογενείς αντιδράσεις: νετρόνια σύντηξης τριτίου-με-δευτέριο που σκορπούν πρωτόνια από λεπτό φύλλο σελοφάν μέσα σε θαλάμου νέφους.

Αναφέρεται σε ιδιωτική συνομιλία με τον Hans Bethe για την ερμηνεία των παρατηρήσεών του. Η αντίδραση DT «πρέπει να είναι εξαιρετικά πιθανή», κατέληξε, προσφέροντας μια ποσοτική εκτίμηση της τάξης του 1 στα 1.000 ενεργητικά πρωτόνια έναντι πρωτονίων χαμηλότερης ενέργειας.

Και εκεί το θέμα έληξε∙ το άρθρο του Ruhlig αναφέρθηκε σπάνια, και κυρίως για ζητήματα ακτίνων γάμμα. Όμως ο Konopinski φαίνεται να θυμόταν τη δουλειά.

Ο Paris και ο Chadwick συνέδεσαν τα κομμάτια: Ο Ruhlig και ο Konopinski ήταν και οι δύο φοιτητές στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν τη δεκαετία του 1930. Ο επιβλέπων της διατριβής του Ruhlig, Richard Crane, ήταν συνάδελφος του Bethe, ενώ ο Konopinski είχε υποτροφία υπό την επίβλεψη του Bethe. Μοιράζονταν επίσης τον ίδιο μέντορα, τον George Uhlenbeck, συν-ανακαλύπτη του σπιν του ηλεκτρονίου.

«Τα στοιχεία ότι ο Konopinski ερμήνευσε και υιοθέτησε την υπόδειξη του Ruhlig για την πιθανότητα της σύντηξης DT είναι έμμεσα αλλά ισχυρά», δήλωσε ο Paris. «Μένει να ρωτήσουμε, τι ακριβώς παρατήρησε ο Ruhlig; Είναι τα συμπεράσματά του συνεπή με αυτά που θα κατέληγε η σύγχρονη υπολογιστική φυσική και τα σύγχρονα διατομικά δεδομένα; Τελικά, ο μόνος τρόπος να απαντήσουμε σε αυτά είναι να αναπαράγουμε το πείραμα».

Ο Chadwick ανέφερε το άρθρο του Ruhlig και τη θεωρία για τον ρόλο του στο DT στην ανάπτυξη της σύντηξης στον διευθυντή του εργαστηρίου Thom Mason, ο οποίος επέμεινε να διεξαχθεί πείραμα – και όχι μόνο προσομοίωση – για την επικύρωση των συμπερασμάτων τους.

Αναπαράγοντας το πείραμα

Η ομάδα συνεργάστηκε με πειραματικούς φυσικούς του Πανεπιστημίου Duke, που εργάζονται στο Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL) στη Βόρεια Καρολίνα, για την αναπαραγωγή του έργου του Ruhlig με μια σύγχρονη, αυστηρά εκτελεσμένη εκδοχή του αρχικού πειράματος. Η αναπαραγωγή συνοδεύτηκε από θεωρητική και υπολογιστική ανάλυση.

Η ομάδα χρησιμοποίησε τον επιταχυντή Tandem του εργαστηρίου στη χαμηλότερη ισχύ λειτουργίας, παράγοντας δέσμη δευτερονίων 3,5 mm. Συνδύασαν τη δέσμη αυτή με λεπτό φύλλο κράματος κοβαλτίου που λειτουργούσε ως το αντίστοιχο του αρχικού 500 keV επιταχυντή του Ruhlig. Όπως το 1938, η δέσμη κατευθύνθηκε σε στόχο με αποδετερωμένο φωσφορικό οξύ, και ανιχνευτής υγρού σπινθηριστή κατέγραφε τα νετρόνια των δευτερογενών αντιδράσεων.

«Σε αντίθεση με τις προσπάθειες σύντηξης στο National Ignition Facility, μπορέσαμε για πρώτη φορά σε χαμηλής ενέργειας πυρηνικό εργαστήριο να εκτελέσουμε πείραμα DT σύντηξης ως δευτερογενή αντίδραση μετά από την αρχική DD αλληλεπίδραση που παράγει τρίτιο», είπε ο Werner Tornow από το Duke. «Αυτό το έργο όχι μόνο απαντά σε ιστορικά ερωτήματα αλλά επεκτείνει και τη δυνατότητά μας να δουλεύουμε με DT σύντηξη σε πολύ πιο απαιτητικά περιβάλλοντα».

Επιβεβαιώνοντας τις βασικές παρατηρήσεις του Ruhlig

Αναλύοντας τα αποτελέσματα, το σύγχρονο πείραμα παρατήρησε δευτερογενείς DT αντιδράσεις, αν και υποδεικνύει ότι ο Ruhlig υπερεκτίμησε το ποσοστό παραγωγής νετρονίων. Οι ερευνητές ανίχνευσαν πολύ μικρότερο λόγο.

Καθώς η επιστολή του Ruhlig του 1938 δεν παρέχει πολλές λεπτομέρειες για τη μέθοδο υπολογισμού του, είναι δύσκολο να αξιολογηθεί πλήρως η ακρίβειά του με βάση τα σύγχρονα αποτελέσματα. Όμως η θεωρητική τιμή που υπολόγισε η ομάδα συμφωνεί με τα πειραματικά αποτελέσματα.

Σημαντικά, οι μετρήσεις με βάση τις τεχνικές του Ruhlig μπορούν να εφαρμοστούν σε ενεργά προγράμματα σύντηξης όπως αυτό στο NIF.

«Παρά την ανακρίβεια στο ποσοστό σύντηξης που έδωσε ο Ruhlig, η αναπαραγωγή μας δεν αφήνει καμία αμφιβολία ότι είχε δίκιο όταν είπε πως η σύντηξη DT είναι “εξαιρετικά πιθανή”», δήλωσε ο Chadwick. «Η τυχαία παρατήρησή του, μαζί με τις μετρήσεις διατομών στο Manhattan Project, συνέβαλαν στην ειρηνική χρήση της DT σύντηξης σε τοκάμακ και στην αδρανειακή σύντηξη. Είμαστε υπερήφανοι που ξαναφέρνουμε τον Arthur Ruhlig στο φως ως σημαντικό συντελεστή της έρευνας».

Σημειωτέον, η ομάδα δημοσίευσε τα αποτελέσματά της στο Physical Review – το ίδιο περιοδικό που είχε δημοσιεύσει την παρατήρηση του Ruhlig το 1938.

Arthur J. Ruhlig: Μια φυσική ζωή

Αν και ο Arthur Ruhlig δεν έλαβε ποτέ την ευρεία αναγνώριση για την αρχική παρατήρηση της σύντηξης DT, υπήρξε σημαντικός φυσικός για δεκαετίες. Γεννημένος στις 13 Ιουνίου 1912 στο Μίσιγκαν, αποφοίτησε από το γυμνάσιο του Fort Wayne, στην Ιντιάνα, πριν πάει στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν.

Υπό την επίβλεψη του H. Richard Crane, έλαβε διδακτορικό στη φυσική τον Ιανουάριο του 1938 για τη διατριβή «The Passage of Fast Electrons and Positrons Through Lead». Η σημαντική του δημοσίευση για τη σύντηξη DT ακολούθησε τον Αύγουστο εκείνου του έτους.

Η καριέρα του περιέλαβε έρευνα στην κυβέρνηση και σε ιδιωτικές εταιρείες. Εντάχθηκε στο Naval Research Laboratory το 1940 ως ηλεκτρολόγος μηχανικός. Το 1951 ήταν μέλος της ομάδας του NRL που υποστήριξε το πρόγραμμα πυρηνικών δοκιμών Operation Greenhouse του Los Alamos. Ήταν επικεφαλής ομάδας διάγνωσης και ανέπτυξε τύπο υπολογισμού της θερμοκρασίας πλάσματος από το φάσμα νετρονίων.

Το 1956 προσλήφθηκε στην εταιρεία Aeronutronic, που συγχωνεύθηκε με τη Ford, και αργότερα έγινε ανώτερος επιστήμονας της. Μιλούσε γαλλικά, γερμανικά και ρωσικά και χαρακτηρίστηκε ως «λαμπρός επιστήμονας» με «ακεραιότητα και πίστη στην επιστήμη».

Ήταν οικογενειακός άνθρωπος, παντρεμένος με την Emily από το 1934 έως τον θάνατό της το 2001. Ο Arthur Ruhlig πέθανε το 2003 στη Σάντα Άνα της Καλιφόρνια. Η ερευνητική ομάδα του Los Alamos-Duke επικοινώνησε με την κόρη του Vivian Lamb, η οποία μοιράστηκε πληροφορίες και φωτογραφία του «αληθινού επιστήμονα» που, όπως είπε, είχε «διά βίου περιέργεια για τα προβλήματα της φυσικής» και «σεβόταν βαθιά την προσεκτική πειραματική εργασία».