De meeste kernreacties die de nucleosynthese van de elementen in ons universum aansturen, vinden plaats in zeer extreme stellaire plasmacondities. Deze intense omgeving in het diepe binnenste van sterren heeft het tot nu toe voor wetenschappers bijna onmogelijk gemaakt om nucleaire metingen uit te voeren onder deze omstandigheden.

In een unieke interdisciplinaire samenwerking tussen de velden van plasmafysica, nucleaire astrofysica en laserfusie, een team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Universiteit van Ohio, het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het Los Alamos National Laboratory (LANL), beschrijf experimenten die zijn uitgevoerd in omstandigheden zoals die van stellaire interieurs. De bevindingen van het team zijn vandaag gepubliceerd door Natuurfysica .

De experimenten zijn de eerste thermonucleaire metingen van doorsneden van kernreacties - een hoeveelheid die de waarschijnlijkheid beschrijft dat reactanten een fusiereactie zullen ondergaan - in plasma-omstandigheden met hoge energiedichtheid die equivalent zijn aan de brandende kernen van gigantische sterren, d.w.z. 10-40 keer massiever dan de zon. Deze extreme plasma-omstandigheden hebben waterstof-isotoopdichtheden die met een factor duizend zijn gecomprimeerd tot bijna die van vast lood en temperaturen die zijn opgewarmd tot ~ 50 miljoen Kelvin. Dit zijn ook de omstandigheden in sterren die leiden tot supernova's, de meest massieve explosies in het heelal.

"Gewoonlijk, dit soort nucleaire astrofysica-experimenten worden uitgevoerd op versnellerexperimenten in het laboratorium, die bijzonder uitdagend worden bij de lage energieën die vaak relevant zijn voor nucleosynthese, " zei LLNL-natuurkundige Dan Casey, de hoofdauteur van het papier. "Omdat de dwarsdoorsneden van de reactie snel afnemen met afnemende reactantenergie, correcties voor gebonden elektronenafscherming worden significant, en aardse en kosmische achtergrondbronnen worden een grote experimentele uitdaging."

Het werk werd uitgevoerd bij de National Ignition Facility (NIF) van LLNL, het enige experimentele instrument ter wereld dat in staat is om temperaturen en drukken te creëren zoals die worden aangetroffen in de kernen van sterren en gigantische planeten. Met behulp van de indirecte drive-benadering, NIF werd gebruikt om een ​​met gas gevulde capsule te implosie, het verwarmen van capsules tot buitengewone temperaturen en het comprimeren ervan tot hoge dichtheden waar fusiereacties kunnen optreden.

"Een van de belangrijkste bevindingen is dat we eerdere metingen aan versnellers hebben gereproduceerd in radicaal verschillende omstandigheden, " Zei Casey. "Dit vormt echt een nieuw hulpmiddel op het gebied van nucleaire astrofysica voor het bestuderen van verschillende processen en reacties die op een andere manier moeilijk toegankelijk zijn."

"Misschien het belangrijkste, dit werk legt de basis voor mogelijke experimentele tests van verschijnselen die alleen kunnen worden gevonden in de extreme plasmacondities van stellaire interieurs. Een voorbeeld is plasma-elektronenscreening, een proces dat belangrijk is bij nucleosynthese maar niet experimenteel is waargenomen, ' voegde Casey eraan toe.

Nu het team een ​​techniek heeft ontwikkeld om deze metingen uit te voeren, gerelateerde teams zoals die onder leiding van Maria Gatu Johnson van het MIT zijn op zoek naar andere kernreacties en manieren om te proberen de impact van plasma-elektronen op de kernreacties te meten.