Nästan allt syre i vårt universum är smidd i magen på massiva stjärnor som vår sol. När dessa stjärnor drar ihop sig och brinner, de sätter igång termonukleära reaktioner i sina kärnor, där kärnor av kol och helium kan kollidera och smälta samman i en sällsynt men essentiell kärnreaktion som genererar mycket av syret i universum.

Hastigheten för denna syregenererande reaktion har varit otroligt svår att fastställa. Men om forskare kan få en tillräckligt bra uppskattning av vad som är känt som "strålningsfångningsreaktionshastigheten, "de kan börja räkna ut svaren på grundläggande frågor, såsom förhållandet mellan kol och syre i universum. En exakt hastighet kan också hjälpa dem att avgöra om en exploderande stjärna kommer att lägga sig i form av ett svart hål eller en neutronstjärna.

Nu har fysiker vid MIT:s Laboratory for Nuclear Science (LNS) kommit med en experimentell design som kan hjälpa till att spika ner hastigheten för denna syregenererande reaktion. Tillvägagångssättet kräver en typ av partikelaccelerator som fortfarande är under konstruktion, på flera platser runt om i världen. Väl igång, sådana "multimegawatt" linjäracceleratorer kan ge precis rätt förutsättningar för att köra den syrealstrande reaktionen i omvänd riktning, som om man vrider tillbaka klockan för stjärnbildning.

Forskarna säger att en sådan "omvänd reaktion" borde ge dem en uppskattning av reaktionshastigheten som faktiskt inträffar i stjärnor, med högre noggrannhet än vad som tidigare uppnåtts.

"En fysikers arbetsbeskrivning är att förstå världen, och just nu, vi förstår inte riktigt var syret i universum kommer ifrån, och, hur syre och kol bildas, säger Richard Milner, professor i fysik vid MIT. "Om vi ​​har rätt, denna mätning kommer att hjälpa oss att svara på några av dessa viktiga frågor inom kärnfysik om grundämnenas ursprung."

Milner är medförfattare till en artikel som visas idag i tidskriften Physical Review C, tillsammans med huvudförfattaren och MIT-LNS postdoc Ivica Friščić och MIT Center for Theoretical Physics Senior Research Scientist T. William Donnelly.

En brant droppe

Strålningsinfångningsreaktionshastigheten hänvisar till reaktionen mellan en kol-12 kärna och en heliumkärna, även känd som en alfapartikel, som utspelar sig i en stjärna. När dessa två kärnor kolliderar, kolkärnan "fångar" effektivt alfapartikeln, och i processen, exciteras och utstrålar energi i form av en foton. Det som finns kvar är en syre-16 kärna, som slutligen sönderfaller till en stabil form av syre som finns i vår atmosfär.

Men chansen att denna reaktion inträffar naturligt i en stjärna är otroligt liten, på grund av att både en alfapartikel och en kol-12 kärna är mycket positivt laddade. Om de kommer i nära kontakt, de är naturligt benägna att stöta bort, i vad som är känt som en Coulombs styrka. Att smälta ihop för att bilda syre, paret skulle behöva kollidera med tillräckligt höga energier för att övervinna Coulombs kraft - en sällsynt händelse. En sådan extremt låg reaktionshastighet skulle vara omöjlig att upptäcka vid de energinivåer som finns inom stjärnor.

Under de senaste fem decennierna, forskare har försökt simulera strålningsfångningsreaktionshastigheten, i små men kraftfulla partikelacceleratorer. De gör det genom att kollidera med strålar av helium och kol i hopp om att smälta samman kärnor från båda strålarna för att producera syre. De har kunnat mäta sådana reaktioner och beräkna de associerade reaktionshastigheterna. Dock, energierna vid vilka sådana acceleratorer kolliderar partiklar är mycket högre än vad som sker i en stjärna, så mycket att de nuvarande uppskattningarna av den syrealstrande reaktionshastigheten är svåra att extrapolera till vad som faktiskt sker inom stjärnor.

"Denna reaktion är ganska välkänd vid högre energier, men det sjunker hastigt när du går ner i energi, mot den intressanta astrofysiska regionen, " säger Friščić.

Tid, baklänges

I den nya studien, teamet bestämde sig för att återuppliva en tidigare föreställning, för att producera det omvända av den syrealstrande reaktionen. Siktet, väsentligen, är att utgå från syrgas och dela upp dess kärna i dess utgångsingredienser:en alfapartikel och en kol-12 kärna. Teamet resonerade att sannolikheten för att reaktionen ska ske omvänt borde vara större, och därför lättare att mäta, än samma reaktion springa framåt. Den omvända reaktionen bör också vara möjlig vid energier närmare energiområdet inom faktiska stjärnor.

För att dela syre, de skulle behöva en högintensiv stråle, med en superhög koncentration av elektroner. (Ju fler elektroner som bombarderar ett moln av syreatomer, desto större chans är det att en elektron bland miljarder kommer att ha precis rätt energi och momentum för att kollidera med och dela en syrekärna.)

Idén kom från MIT-forskaren Genya Tsentalovich, som ledde ett föreslaget experiment vid MIT-Bates South Hall elektronlagringsring 2000. Även om experimentet aldrig utfördes vid Bates accelerator, som upphörde att fungera 2005, Donnelly och Milner tyckte att idén förtjänade att studeras i detalj. Med initieringen av konstruktionen av nästa generations linjäracceleratorer i Tyskland och vid Cornell University, ha förmågan att producera elektronstrålar med tillräckligt hög intensitet, eller nuvarande, för att potentiellt utlösa den omvända reaktionen, och ankomsten av Friščić till MIT 2016, studien kom igång.

"Möjligheten att dessa nya, högintensiva elektronmaskiner, med tiotals milliampere ström, väckte vårt intresse för denna [omvända reaktion] idé, " säger Milner.

Teamet föreslog ett experiment för att producera den omvända reaktionen genom att skjuta en elektronstråle i en kyla, ultratätt moln av syre. Om en elektron framgångsrikt kolliderade med och splittrade en syreatom, den ska spridas med en viss mängd energi, som fysiker tidigare har förutspått. Forskarna skulle isolera kollisioner med elektroner inom detta givna energiområde, och från dessa, de skulle isolera alfapartiklarna som producerades i efterdyningarna.

Alfa-partiklar bildas när O-16-atomer splittras. Spjälkning av andra syreisotoper kan också resultera i alfapartiklar, men dessa skulle spridas iväg något snabbare - cirka 10 nanosekunder snabbare - än alfapartiklar som produceras från splittringen av O-16-atomer. Så, teamet resonerade att de skulle isolera de alfapartiklar som var något långsammare, med en något kortare "time of flight".

Forskarna kunde sedan beräkna hastigheten på den omvända reaktionen, med tanke på hur ofta långsammare alfapartiklar – och genom proxy, splittringen av O-16-atomer inträffade. De utvecklade sedan en modell för att relatera den omvända reaktionen till den direkta, framåtreaktion av syreproduktion som sker naturligt i stjärnor.

"Vi gör i huvudsak en tidsomvänd reaktion, " säger Milner. "Om du mäter det med den precision vi pratar om, du bör kunna extrahera reaktionshastigheten direkt, med faktorer på upp till 20 utöver vad någon har gjort i den här regionen."

För närvarande, en multimegawatt linjär accelerator, MESA, är under uppbyggnad i Tyskland. Friščić och Milner samarbetar med fysiker där för att designa experimentet, i hopp om att, väl igång, de kan sätta sitt experiment i verket för att verkligen fastställa hastigheten med vilken stjärnor driver ut syre i universum.

"Om vi ​​har rätt, och vi gör denna mätning, det kommer att tillåta oss att svara på hur mycket kol och syre som bildas i stjärnor, vilket är den största osäkerheten vi har i vår förståelse av hur stjärnor utvecklas, " säger Milner.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.