Fysikere designer et eksperiment for at fastslå grundstoffernes oprindelse

Næsten al ilten i vores univers er smedet i maven på massive stjerner som vores sol. Når disse stjerner trækker sig sammen og brænder, de sætter gang i termonukleare reaktioner i deres kerne, hvor kerner af kulstof og helium kan kollidere og smelte sammen i en sjælden, men essentiel kernereaktion, der genererer meget af ilten i universet.

Hastigheden af ​​denne ilt-genererende reaktion har været utrolig vanskelig at fastlægge. Men hvis forskere kan få et godt nok skøn over det, der er kendt som "strålingsindfangningsreaktionshastigheden, "de kan begynde at finde svarene på grundlæggende spørgsmål, såsom forholdet mellem kulstof og ilt i universet. En nøjagtig hastighed kan også hjælpe dem med at bestemme, om en eksploderende stjerne vil sætte sig i form af et sort hul eller en neutronstjerne.

Nu er fysikere ved MIT's Laboratory for Nuclear Science (LNS) kommet op med et eksperimentelt design, der kan hjælpe med at fastgøre hastigheden af ​​denne iltgenererende reaktion. Tilgangen kræver en type partikelaccelerator, der stadig er under konstruktion, flere steder rundt om i verden. Når først er i gang, sådanne "multimegawatt" lineære acceleratorer kan give de helt rigtige betingelser til at køre den iltgenererende reaktion omvendt, som om at skrue tiden tilbage for stjernedannelse.

Forskerne siger, at en sådan "omvendt reaktion" burde give dem et skøn over den reaktionshastighed, der faktisk forekommer i stjerner, med højere nøjagtighed end tidligere opnået.

"En fysikers jobbeskrivelse er at forstå verden, og lige nu, vi forstår ikke helt, hvor ilten i universet kommer fra, og, hvordan ilt og kulstof bliver til, " siger Richard Milner, professor i fysik ved MIT. "Hvis vi har ret, denne måling vil hjælpe os med at besvare nogle af disse vigtige spørgsmål inden for kernefysik vedrørende grundstoffernes oprindelse."

Milner er medforfatter til et papir, der i dag vises i tidsskriftet Physical Review C, sammen med hovedforfatter og MIT-LNS postdoc Ivica Friščić og MIT Center for Teoretisk Fysik Seniorforsker T. William Donnelly.

Et bratte fald

Den strålingsindfangningsreaktionshastighed refererer til reaktionen mellem en kulstof-12-kerne og en heliumkerne, også kendt som en alfapartikel, der foregår i en stjerne. Når disse to kerner støder sammen, kulstofkernen "fanger" effektivt alfapartiklen, og i processen, exciteres og udstråler energi i form af en foton. Det, der er tilbage, er en oxygen-16-kerne, som i sidste ende henfalder til en stabil form for ilt, der findes i vores atmosfære.

Men chancerne for, at denne reaktion forekommer naturligt i en stjerne, er utrolig lille, skyldes, at både en alfapartikel og en kulstof-12-kerne er stærkt positivt ladede. Hvis de kommer i tæt kontakt, de er naturligt tilbøjelige til at frastøde, i det, der er kendt som en Coulombs styrke. At smelte sammen for at danne ilt, parret ville skulle kollidere ved tilstrækkelig høje energier til at overvinde Coulombs kraft - en sjælden begivenhed. En sådan overordentlig lav reaktionshastighed ville være umulig at detektere ved de energiniveauer, der findes i stjerner.

I de sidste fem årtier, forskere har forsøgt at simulere strålingsindfangningsreaktionshastigheden, i små, men kraftige partikelacceleratorer. Det gør de ved at kollidere med stråler af helium og kulstof i håb om at fusionere kerner fra begge stråler for at producere ilt. De har været i stand til at måle sådanne reaktioner og beregne de tilhørende reaktionshastigheder. Imidlertid, energierne, hvormed sådanne acceleratorer kolliderer partikler, er langt højere end hvad der sker i en stjerne, så meget, at de nuværende estimater af den oxygengenererende reaktionshastighed er svære at ekstrapolere til, hvad der faktisk sker inden for stjerner.

"Denne reaktion er ret velkendt ved højere energier, men det falder brat af, når du går ned i energi, mod det interessante astrofysiske område, " siger Friščić.

Tid, i bakgear

I den nye undersøgelse, holdet besluttede at genoplive en tidligere forestilling, at frembringe det omvendte af den oxygendannende reaktion. Målet, i det væsentlige, er at tage udgangspunkt i oxygengas og opdele dens kerne i dens startingredienser:en alfapartikel og en kulstof-12-kerne. Holdet begrundede, at sandsynligheden for, at reaktionen sker omvendt, burde være større, og derfor nemmere at måle, end den samme reaktion køre fremad. Den omvendte reaktion bør også være mulig ved energier tættere på energiområdet inden for faktiske stjerner.

For at spalte ilt, de ville have brug for en højintensitetsstråle, med en superhøj koncentration af elektroner. (Jo flere elektroner, der bombarderer en sky af iltatomer, jo større chance er der for, at én elektron blandt milliarder vil have den helt rigtige energi og momentum til at kollidere med og splitte en iltkerne.)

Ideen opstod hos MIT-forsker Genya Tsentalovich, som ledede et foreslået eksperiment ved MIT-Bates South Hall elektronlagerring i 2000. Selvom eksperimentet aldrig blev udført ved Bates accelerator, som ophørte med driften i 2005, Donnelly og Milner følte, at ideen fortjente at blive studeret i detaljer. Med påbegyndelsen af ​​konstruktionen af ​​næste generation af lineære acceleratorer i Tyskland og på Cornell University, have evnen til at producere elektronstråler med høj nok intensitet, eller nuværende, potentielt udløse den omvendte reaktion, og ankomsten af ​​Friščić til MIT i 2016, undersøgelsen gik i gang.

"Muligheden for disse nye, højintensive elektronmaskiner, med titusvis af milliampere strøm, vækkede vores interesse for denne [omvendte reaktion] idé, " siger Milner.

Holdet foreslog et eksperiment for at producere den omvendte reaktion ved at skyde en stråle af elektroner i en kulde, ultratæt iltsky. Hvis en elektron med succes kolliderede med og spaltede et oxygenatom, det bør spredes væk med en vis mængde energi, som fysikere tidligere har forudsagt. Forskerne ville isolere kollisioner, der involverer elektroner inden for dette givne energiområde, og fra disse, de ville isolere alfapartiklerne produceret i kølvandet.

Alfa-partikler dannes, når O-16-atomer splittes. Spaltningen af ​​andre iltisotoper kan også resultere i alfapartikler, men disse ville spredes lidt hurtigere væk - omkring 10 nanosekunder hurtigere - end alfapartikler fremstillet ved spaltning af O-16 atomer. Så, holdet begrundede, at de ville isolere de alfapartikler, der var lidt langsommere, med en lidt kortere "flyvetid".

Forskerne kunne derefter beregne hastigheden af ​​den omvendte reaktion, givet hvor ofte langsommere alfapartikler – og ved proxy, spaltningen af ​​O-16 atomer - skete. De udviklede derefter en model til at relatere den omvendte reaktion til den direkte, fremadrettet reaktion af iltproduktion, der naturligt forekommer i stjerner.

"Vi laver i bund og grund den tid-omvendte reaktion, " siger Milner. "Hvis du måler det med den præcision, vi taler om, du bør være i stand til direkte at udtrække reaktionshastigheden, med faktorer på op til 20 ud over, hvad nogen har gjort i denne region."

I øjeblikket, en multimegawatt lineær accelerator, MESA, er under opførelse i Tyskland. Friščić og Milner samarbejder med fysikere der om at designe eksperimentet, i håb om, at gang i gang, de kan sætte deres eksperiment i værk for virkelig at fastlægge den hastighed, hvormed stjerner kvæler ilt ud i universet.

"Hvis vi har ret, og vi foretager denne måling, det vil give os mulighed for at svare på, hvor meget kulstof og ilt der dannes i stjerner, hvilket er den største usikkerhed, vi har i vores forståelse af, hvordan stjerner udvikler sig, " siger Milner.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.