Nu blijkt uit een nieuwe studie gepubliceerd in Physical Review Letters onderzoekt de n_TOF-samenwerking bij CERN hoe cerium in sterren wordt geproduceerd. De resultaten verschillen van wat op basis van de theorie werd verwacht, wat erop wijst dat er behoefte is aan een herziening van de mechanismen die vermoedelijk verantwoordelijk zijn voor de productie van cerium (en andere zwaardere elementen) in het universum.

‘De meting die we hebben uitgevoerd, heeft ons in staat gesteld kernresonanties te identificeren die nog nooit eerder zijn waargenomen in het energiebereik dat betrokken is bij de productie van cerium in sterren’, legt Simone Amaducci van INFN’s Southern National Laboratories en eerste auteur van het onderzoek uit. "Dit is te danken aan de zeer hoge energieresolutie van het experimentele apparaat op CERN en de beschikbaarheid van een zeer zuiver monster van cerium 140."

De overvloed aan elementen zwaarder dan ijzer die in sterren worden waargenomen (zoals tin, zilver, goud en lood) kan wiskundig worden gereproduceerd door het bestaan ​​van twee neutronenvangstprocessen te veronderstellen:het langzame (s) proces en het snelle (r) proces.

Het s-proces komt overeen met een neutronenflux van 10 miljoen neutronen per kubieke centimeter, terwijl het r-proces een flux heeft van meer dan een miljoen miljard miljard neutronen per kubieke centimeter. Er wordt aangenomen dat dit proces ongeveer de helft van de elementen zwaarder dan ijzer in het universum produceert, inclusief cerium.

De Neutron Time-of-Flight-faciliteit (n_TOF) van CERN is ontworpen om neutroneninteracties te bestuderen, zoals die voorkomen in sterren. In deze studie gebruikten de wetenschappers de faciliteit om de kernreactie van de cerium 140-isotoop met een neutron te meten om isotoop 141 te produceren.

Volgens geavanceerde theoretische modellen speelt deze specifieke reactie een cruciale rol bij de synthese van zware elementen in sterren. Concreet keken de wetenschappers naar de dwarsdoorsnede van de reactie:de fysieke grootheid die de waarschijnlijkheid uitdrukt dat een reactie optreedt. De wetenschappers maten de dwarsdoorsnede bij een breed scala aan energieën met een nauwkeurigheid die 5% hoger was dan eerdere metingen.

De resultaten openen nieuwe vragen over de chemische samenstelling van het universum. ‘Wat ons in het begin intrigeerde was een discrepantie tussen theoretische stermodellen en observatiegegevens van cerium in de sterren van de bolvormige sterrenhoop M22 in het sterrenbeeld Boogschutter’, legt Sergio Cristallo van INAF’s Abruzzo Astronomical Observatory uit, die het experiment voorstelde.

"De nieuwe nucleaire gegevens verschillen aanzienlijk, tot wel 40%, van de gegevens in de nucleaire databases die momenteel worden gebruikt, en gaan duidelijk verder dan de geschatte onzekerheid."

Deze resultaten hebben opmerkelijke astrofysische implicaties, wat duidt op een vermindering van 20% in de bijdrage van het s-proces aan de overvloed aan cerium in het universum. Dit betekent dat er een paradigmaverschuiving nodig is in de theorie van de ceriumnucleosynthese:andere fysische processen die momenteel niet zijn opgenomen, zouden in aanmerking moeten worden genomen bij berekeningen van de evolutie van sterren.

Bovendien hebben de nieuwe gegevens een aanzienlijke impact op het inzicht van wetenschappers in de chemische evolutie van sterrenstelsels, die ook de productie van zwaardere elementen in het universum beïnvloedt.

Meer informatie: S. Amaducci et al, Meting van de Ce140(n,γ) dwarsdoorsnede op n_TOF en de astrofysische implicaties ervan voor de chemische evolutie van het heelal, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.122701

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Geleverd door CERN