Πυρηνικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται σε επιταχυντές μας αποκαλύπτουν πως ‘μαγειρεύεται’ το λανθάνιο στα καζάνια του σύμπαντος
Την τελευταία δεκαετία σημειώθηκαν σημαντικές πρόοδοι στις παρατηρησιακές δυνατότητες των αστρονομικών τηλεσκοπίων. Έτσι προέκυψε, πέρα από τις εντυπωσιακές εικόνες του σύμπαντος και ένας αυξανόμενος αριθμός απροσδόκητων ευρημάτων, συμπεριλαμβανομένων των παρατηρήσεων που δείχνουν ότι στο αρχέγονο σύμπαν υπήρχαν περισσότεροι φωτεινοί γαλαξίες από ό,τι προβλεπόταν. Πρόσφατα δεδομένα αποδεικνύουν επίσης ότι ορισμένα άστρα περιέχουν μεγαλύτερες ποσότητες συγκεκριμένων στοιχείων σε σχέση με αυτές που προβλέπουν τα θεωρητικά μοντέλα. Η επίλυση τέτοιων προβλημάτων αφθονίας στοιχείων είναι το κλειδί για την κατανόηση της προέλευσης των βαρύτερων συστατικών του σύμπαντος.
Η Άρτεμις Σπύρου από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και ο Dennis Mücher από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας, μέτρησαν την ενεργό διατομή σύλληψης νετρονίων της πυρηνικής αντίδρασης 139Ba(n ,γ)140Ba. Αυτή η πυρηνική αντίδραση σχετίζεται με την παραγωγή λανθανίου στο εσωτερικό άστρων που πραγματοποιείται μέσω της διαδικασίας i (intermediate neutron capture process). Οι μετρήσεις τους δείχνουν ότι παράγεται λιγότερο λανθάνιο σε σχέση με αυτό προβλέπουν θεωρητικά τα μοντέλα πυρηνοσύνθεσης. Έτσι, ελέγχονται τα μοντέλα που βοηθούν τους αστροφυσικούς να συμπληρώσουν τα κομμάτια παζλ που λείπουν σχετικά με το πώς ‘μαγειρεύονται’ τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα στα καζάνια του σύμπαντος.
Τα περισσότερα από τα βαρύτερα στοιχεία του σύμπαντος σχηματίζονται στα άστρα διαμέσου κάποιας διαδικασίας σύλληψης νετρονίων. Μέχρι πρόσφατα, η αφθονία των στοιχείων που μετρήθηκε από τους αστρονόμους μπορούσε να εξηγηθεί από τις δύο πιο μελετημένες από αυτές τις διαδικασίες: τη διαδικασία αργής σύλληψης νετρονίων ή «διαδικασία s» και τη διαδικασία γρήγορης σύλληψης νετρονίων ή «διαδικασία r». Σχεδόν όλες οι παρατηρήσεις συμφωνούσαν με τα μοντέλα, λέει η Α. Σπύρου. Όμως στη συνέχεια, με τα νέα τηλεσκόπια βρέθηκαν άστρα με απροσδόκητες αναλογίες στοιχείων.
Αυτές οι παρατηρήσεις οδήγησαν τους ερευνητές στο να εξερευνήσουν μια λιγότερο γνωστή διαδρομή πυρηνοσύνθεσης σύλληψης νετρονίων που ονομάζεται ενδιάμεση διεργασία ή «διαδικασία i». Η διαδρομή είχε προβλεφθεί για πρώτη φορά την δεκαετία του 1970, αλλά παρακάμφθηκε, καθώς δεν χρειαζόταν στην ερμηνεία των δεδομένων που ήταν τότε διαθέσιμα.
Όπως δείχνει το όνομά της, οι ιδιότητες της διαδικασίας i βρίσκονται μεταξύ αυτών των διαδικασιών s και r. Για παράδειγμα, σε άστρα όπου τα στοιχεία σχηματίζονται μέσω της διαδικασίας s, ένας πυρήνας μπορεί να συλλάβει ένα νετρόνιο κάθε μερικές εκατοντάδες χρόνια. Η διαδικασία περιλαμβάνει συνήθως σχετικά σταθερούς πυρήνες που μπορούν να ζήσουν για μέρες ή μήνες πριν από την αποσύνθεση. Στον αντίποδα βρίσκεται η διαδικασία r, στην οποία συμμετέχουν πυρήνες που είναι εξαιρετικά ασταθείς. Εδώ, οι πυρήνες συλλαμβάνουν νετρόνια πολύ πιο γρήγορα – κάθε δευτερόλεπτο ή και λιγότερο – και οι χρόνοι διάσπασης είναι επίσης μικρότεροι του δευτερολέπτου. Ανάμεσα σε αυτά τα άκρα βρίσκεται η διαδικασία i, με σχετικές χρονικές κλίμακες μερικών δεκάδων λεπτών.
Σύμφωνα με την Α. Σπύρου: «Η διαδικασία i είναι ενδιάμεση από κάθε άποψη. Οι παραδοσιακές μετρήσεις των ενεργών διατομών σύλληψης νετρονίων γίνονται με βομβαρδισμό ενός στόχου με δέσμη νετρονίων. Ωστόσο, η μελέτη της διαδικασίας i με αυτόν τον τρόπο είναι δύσκολη, εξαιτίας των μικρών χρόνων ημιζωής των σχετικών ισοτόπων που κάνουν αδύνατη την ενσωμάτωσή τους σε έναν σταθερό στόχο. Μια εναλλακτική μέθοδος θα ήταν να σχηματιστεί το ισότοπο που μας ενδιαφέρει σε μια δέσμη και να εκτοξευθεί σε έναν στόχο νετρονίων, αλλά ένας τέτοιος στόχος είναι εντελώς αδύνατος. Απλά, προς το παρόν δεν είναι εφικτές οι άμεσες μετρήσεις».
Για να μελετήσουν τη διαδικασία i, οι ερευνητές μέτρησαν τη διάσπαση μιας δέσμης καισίου-140 προς βάριο-140. Κατά τη διάρκεια αυτής της διάσπασης, ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο και ο πυρήνας του βαρίου-140 που προκύπτει εκπέμπει μια ακτίνα γάμμα, την οποία ανίχνευσαν. Αυτές οι μετρήσεις ακτίνων γάμμα τους επέτρεψαν να υπολογίσουν έμμεσα την ενεργό διατομή σύλληψης νετρονίων του βαρίου-140. Είναι μια έμμεση μέτρηση, αλλά μπορούμε να μάθουμε σχεδόν όλα όσα χρειαζόμαστε για να την χρησιμοποιήσουμε.
Ένα από τα πράγματα που μπορούμε να μάθουμε είναι η πιθανότητα παραγωγής ισοτόπων άλλων στοιχείων, όπως το λανθάνιο-139. Αυτό το ισότοπο σχηματίζεται μέσω της διάσπασης του βαρίου-139, του οποίου η διατομή σύλληψης νετρονίων μπορεί να προσδιοριστεί από τα πειράματα βαρίου-140. Υπάρχει ένας πλούτος αστροφυσικών παρατηρήσεων για το λανθάνιο, καθιστώντας το ιδανικό υποψήφιο για τον έλεγχο των μοντέλων πυρηνοσύνθεσης. Ήταν οι μετρήσεις του λανθανίου που απαοκάλυψαν τα προβλήματα με τις διαδικασίες s και r στην εξήγηση πρόσφατων δεδομένων. Τα πειράματα της ομάδας δείχνουν ότι η ενεργός διατομή σύλληψης νετρονίων του βαρίου-139 είναι μεγαλύτερη από ό,τι προβλέπουν προς το παρόν τα θεωρητικά μοντέλα της πυρηνικής φυσικής. Μεγαλύτερη τιμή στην ενεργό διατομή σημαίνει ότι το βάριο-139 είναι πιο πιθανό να συλλάβει ένα νετρόνιο και να μετουσιωθεί προς άλλα στοιχεία, μειώνοντας την πιθανότητα αυτού του ισοτόπου να διασπαστεί προς λανθάνιο-139. Επομένως, το αποτέλεσμα αυτό συνεπάγεται μικρότερη αφθονία λανθανίου σε σύγκριση με τις μέχρι τώρα προβλεπόμενες τιμές σε άστρα όπου κυριαρχεί η διαδικασία i.
Με αυτά τα δεδομένα στα χέρια, οι ερευνητές κατάφεραν να περιορίσουν την αναλογία βαρίου-λανθανίου με την οποία συνδέεται η διαδικασία i, μειώνοντας σημαντικά τις αβεβαιότητες των αστρονομικών παρατηρήσεων. «Οι διατομές σύλληψης νετρονίων που σχετίζονται με τη διαδικασία i είναι στην ουσία πειραματικά άγνωστες», λέει ο Arthur Choplain, ο οποίος μελετά τη διαδικασία σύλληψης νετρονίων στο Université libre de Bruxelles. Και είναι «συναρπαστικό» να βλέπουμε τέτοιες μετρήσεις για το βάριο και το λανθάνιο λόγω της σημασίας τους για τα μοντέλα πυρηνοσύνθεσης. Ο Choplain ελπίζει ότι η προσέγγιση της ομάδας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση της ενεργού διατομής σύλληψης νετρονίων και άλλων ισοτόπων. Κάθε τέτοια μέτρηση «να αυξάνει προοδευτικά την ακρίβεια των μοντέλων διαδικασiας i και τελικά επιτρέπει πιο αξιόπιστες συγκρίσεις μεταξύ θεωρητικών μοντέλων και παρατηρήσεων».
Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα μελέτες προς αυτή την κατεύθυνση. Σχεδιάζουν επίσης να μετρήσουν την ενεργό διατομή σύλληψης νετρονίων του καισίου-137, ενός άλλου ισοτόπου σημαντικού στην διαδικασία i. Αυτή η διαδρομή είναι ιδιαίτερα ελκυστική για μελέτη, λέει ο Mücher, καθώς «είναι πιθανώς το μόνο ισότοπο της διαδικασίας i για το οποίο μπορούμε να μετρήσουμε απευθείας την ενεργό διατομή της αντίδρασης».
Πηγή: physicsgg
