Wetenschap
Mogelijk nieuw proces voor de synthese van zeldzame kernen in het universum
Een nieuw nucleosyntheseproces, aangeduid als het νr-proces, is voorgesteld door wetenschappers van GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Technische Universität Darmstadt en het Max Planck Instituut voor Astrofysica. Het werkt wanneer neutronenrijk materiaal wordt blootgesteld aan een hoge flux van neutrino's.
Het theoretische voorstel, dat onlangs werd gepubliceerd in Physical Review Letters , kan de oplossing zijn voor een al lang bestaand probleem met betrekking tot de productie van een groep zeldzame isotopen die aanwezig zijn in het zonnestelsel, maar waarvan de oorsprong nog steeds slecht begrepen wordt, de zogenaamde p-kernen.
Fusieprocessen die in massieve sterren plaatsvinden, produceren kernen tot ijzer en nikkel. Daarbuiten worden de meeste stabiele zware kernen, zoals lood en goud, geproduceerd via langzame of snelle neutronenvangstprocessen.
Voor de productie van de rest, die neutronendeficiënt zijn, is een verscheidenheid aan nucleosyntheseprocessen voorgesteld. Het bleef echter een uitdaging om de grote hoeveelheden 92,94 te verklaren Ma, 96,98 Ru en 92 Nb in het (vroege) zonnestelsel.
Het νr-proces maakt de gelijktijdige productie van al die kernen mogelijk, omdat neutrino's een reeks vangreacties katalyseren.
Dit is hoe het proces werkt:het νr-proces werkt in neutronenrijke uitstromen in astrofysische explosies die aanvankelijk, wanneer de temperaturen hoog zijn, bestaan uit neutronen en kernen die zich rond ijzer en nikkel bevinden.
Naarmate de temperatuur van het materiaal afneemt, worden zwaardere kernen geproduceerd uit lichtere kernen door een reeks neutronenvangsten en zwakke interactieprocessen. Anders dan bij het snelle neutronenvangstproces, waarbij de zwakke reacties bèta-verval zijn, zijn het echter neutrino-absorptiereacties voor het νr-proces.
Zodra de vrije neutronen zijn uitgeput, zetten verdere neutrino-absorptiereacties de in kernen gebonden neutronen om in protonen, waardoor de geproduceerde kernen naar en zelfs voorbij de bèta-stabiliteitslijn worden geduwd.
De energieën van de neutrino's zijn groot genoeg om kernen te prikkelen tot toestanden die vervallen door de emissie van neutronen, protonen en alfadeeltjes. De uitgezonden deeltjes worden opgevangen door de zware kernen.
Dit veroorzaakt een reeks vangreacties, gekatalyseerd door neutrino's, die de uiteindelijke hoeveelheden elementen bepalen die door het νr-proces worden geproduceerd. Op deze manier kunnen neutrino's neutronendeficiënte kernen produceren die anders ontoegankelijk zijn.
"Onze bevinding opent een nieuwe mogelijkheid om de oorsprong van p-kernen te verklaren via neutrino-absorptiereacties op kernen", zegt Zewei Xiong, wetenschapper bij GSI/FAIR Nuclear Astrophysics and Structure Department en de corresponderende auteur van de publicatie.
Nu we de reeks reacties hebben bepaald die het νr-proces aansturen, moet nog worden vastgesteld welk type sterexplosie zich voordoet.
In hun publicatie stelden de auteurs voor dat het νr-proces werkt in materiaal dat wordt uitgestoten in een omgeving met sterke magnetische velden, zoals in magneto-roterende supernova's, instortingen of magnetars.
Deze suggestie heeft astrofysici ertoe aangezet om naar de geschikte omstandigheden te zoeken, en een eerste publicatie heeft zelfs al gemeld dat magnetisch aangedreven ejecta de noodzakelijke omstandigheden bereiken.
Het νr-proces vereist kennis van neutrinoreacties en neutronenvangstreacties op kernen die zich aan beide zijden van de bèta-stabiliteitslijn bevinden. Het meten van de relevante reacties wordt mogelijk dankzij de unieke opslagringmogelijkheden in de GSI/FAIR-faciliteit.