Mulig ny proces til syntese af sjældne kerner i universet

En ny nukleosynteseproces betegnet som νr-processen er blevet foreslået af forskere fra GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Technische Universität Darmstadt og Max Planck Institute for Astrophysics. Den fungerer, når neutronrigt materiale udsættes for en høj flux af neutrinoer.

Det teoretiske forslag, som for nylig blev offentliggjort i Physical Review Letters , kan være løsningen på et langvarigt problem relateret til produktionen af ​​en gruppe sjældne isotoper, der findes i solsystemet, men hvis oprindelse stadig er dårligt forstået, de såkaldte p-kerner.

Fusionsprocesser, der opererer i massive stjerner, producerer kerner op til jern og nikkel. Ud over dem produceres de fleste af de stabile tunge kerner, såsom bly og guld, via langsomme eller hurtige neutronfangstprocesser.

Til produktionen af ​​resten af ​​dem, som er neutronmangel, er en række nukleosynteseprocesser blevet foreslået. Det er dog fortsat en udfordring at forklare de store mængder af ^92,94 ma, ^96,98 Ru og ⁹² Nb i det (tidlige) solsystem.

νr-processen giver mulighed for samtidig produktion af alle disse kerner, fordi neutrinoer katalyserer en række indfangningsreaktioner.

Sådan fungerer processen:νr-processen opererer i neutronrige udstrømninger i astrofysiske eksplosioner, der i starten, når temperaturerne er høje, består af neutroner og kerner placeret omkring jern og nikkel.

Efterhånden som materialets temperatur falder, produceres tungere kerner fra lettere kerner ved en sekvens af neutronfangninger og svage interaktionsprocesser. Men forskellig fra den hurtige neutronfangstproces, hvor de svage reaktioner er beta-henfald, er de neutrinoabsorptionsreaktioner for νr-processen.

Når de frie neutroner er opbrugt, omdanner yderligere neutrinoabsorptionsreaktioner neutroner bundet i kerner til protoner, der skubber de producerede kerner mod og endda ud over beta-stabilitetslinjen.

Neutrinoernes energier er store nok til at excitere kerner til tilstande, der henfalder ved emission af neutroner, protoner og alfapartikler. De udsendte partikler fanges af de tunge kerner.

Dette udløser en række indfangningsreaktioner katalyseret af neutrinoer, der bestemmer den endelige overflod af elementer produceret af νr-processen. På denne måde kan neutrinoer producere neutronmangelfulde kerner, som ellers er utilgængelige.

"Vores fund åbner en ny mulighed for at forklare oprindelsen af ​​p-kerner via neutrinoabsorptionsreaktioner på kerner," siger Zewei Xiong, videnskabsmand ved GSI/FAIR Nuclear Astrophysics and Structure Department og den tilsvarende forfatter til publikationen.

Efter at have bestemt rækken af ​​reaktioner, der driver νr-processen, mangler den type stjerneeksplosion, hvor den opstår, at blive identificeret.

I deres publikation foreslog forfatterne, at νr-processen opererer i materiale, der udstødes i et miljø med stærke magnetiske felter, såsom i magneto-rotationssupernovaer, kollapsarer eller magnetarer.

Dette forslag har fået astrofysikere til at søge efter de egnede forhold, og faktisk har en første publikation allerede rapporteret, at magnetisk drevet udstødning når de nødvendige betingelser.

νr-processen kræver viden om neutrinoreaktioner og neutronindfangningsreaktioner på kerner placeret på begge sider af beta-stabilitetslinjen. Måling af de relevante reaktioner vil blive mulig med de unikke lagerringsfunktioner på GSI/FAIR-faciliteten.

Flere oplysninger: Zewei Xiong et al., Produktion af p-kerner fra r-Process Seeds:The νr Process, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.192701

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres