Het grootste deel van de energie van de zon en andere sterren is afkomstig van een reeks kernfusiereacties. Het einde van deze keten wordt gemarkeerd door de fusie van protonen met beryllium-7 om boor-8 te vormen. Dit proces is van cruciaal belang bij het bepalen van de stroom hoogenergetische zonne-neutrino's die de aarde bereiken.

De energiezuinige omstandigheden waaronder deze reacties plaatsvinden in de zon zijn vrijwel onmogelijk te reproduceren in laboratoria op aarde. Daarom vertrouwen wetenschappers op theoretische berekeningen om de snelheid van deze kernreacties te extrapoleren uit de experimenten die ze op aarde met hogere energie kunnen uitvoeren. Er bestaat echter een risico op onzekerheid bij het uitvoeren van deze extrapolaties. Een nieuw protocol vermindert deze onzekerheid dramatisch.

Een onderzoekspaper over dit onderwerp is gepubliceerd in het tijdschrift Physics Letters B .

Het nieuwe protocol geeft wetenschappers een beter hulpmiddel voor het bepalen van de fusiesnelheid van protonen met beryllium-7 bij lage energie, met behulp van gegevens uit experimenten die bij hogere energie zijn uitgevoerd. Het resultaat komt statistisch overeen met de momenteel aanbevolen waarde. Het vermindert ook de onzekerheid met een factor vijf.

In de toekomst zal deze verbetering gepaard gaan met soortgelijke verbeteringen voor andere kritische reactiesnelheden in de zon. Dit zal zich vertalen in nauwkeurigere voorspellingen op basis van het standaard zonnemodel. Dit zonnemodel beschrijft hoe de zon en andere sterren in de loop van de tijd veranderen. Het eindresultaat zal een beter begrip zijn van de eigenschappen van neutrino's en het inwendige van de zon, met behulp van experimenten die met hoge precisie meten hoe neutrino's zich in de zon vormen en zich vervolgens naar de aarde verplaatsen.

Binnen het onderzoek voerden onderzoekers een uitgebreide analyse uit van het beryllium-7 plus protonsysteem en gaven ze voorspellingen met gekwantificeerde onzekerheden voor de fusiedoorsnede ervan, werkend binnen het raamwerk van het no-core shell-model met continuüm, een eerste-principebenadering die de structuur beschrijft en reactie-eigenschappen van lichte kernen op dezelfde voet. Het gebruik van een verscheidenheid aan twee- en drie-nucleon-interacties uit de chiraal-effectieve veldtheorie, evenals meerdere orden van de chirale expansie, opende een venster op de universele eigenschappen van het systeem zoals beschreven door deze energiezuinige effectieve theorie van de kwantumchromodynamica.

De onderzoekers hebben dus de onderliggende kenmerken van de voorspelde vangsnelheid aangetoond, waardoor de combinatie van theoretische berekeningen en metingen mogelijk is om een ​​geëvalueerde proton-beryllium-7 astrofysische vangsnelheid van S17(0) =19,8 ± 0,3 eV b te produceren, wat overeenkomt met de huidige aanbevolen waarde binnen onzekerheden, maar vertoont foutbalken die een factor 5 kleiner zijn.

De onderzoekers verwachten dat het nieuwe protocol dat voorspellende berekeningen (met gekwantificeerde onzekerheden) en experimentele gegevens combineert die door dit werk zijn verkregen, een nieuwe standaard zal stellen voor de evaluatie van astrofysische licht-ionreacties in regio's waar experimentele metingen niet haalbaar zijn. Dit protocol zal bijvoorbeeld helpen bij onderzoek naar de fusie van helium-3 met helium-4 en de opname van protonen op stikstof-14 in de zon.

Meer informatie: K. Kravvaris et al, Ab initio geïnformeerde evaluatie van de stralingsvangst van protonen op 7Be, Physics Letters B (2023). DOI:10.1016/j.physletb.2023.138156

Journaalinformatie: Natuurkunde Letters B

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie