Kärnastrofysiker skapade framgångsrikt den första lågenergipartikelacceleratorstrålen djupt under jorden i USA, för dem ett steg närmare att förstå hur elementen i vårt universum är uppbyggda.

Genom projektet, kallas CASPAR (Compact Accelerator System for Performing Astrophysical Research), forskare kommer att återskapa kärnfusionsprocesserna som är ansvariga för energigenerering och elementär produktion i stjärnor, för att förstå mer om hur stjärnor brinner och vilka element de skapar när de gör det.

CASPAR är en av endast två underjordiska acceleratorer i världen, ligger vid Sanford Underground Research Facility (SURF), i bly, South Dakota.

Den andra, Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) ligger i Italien, nära berget Gran Sasso.

"Att installera och använda acceleratorer under jord är en stor utmaning, " sa Michael Wiescher, Freimann professor i kärnfysik vid universitetet i Notre Dame. "CASPAR är unik eftersom den täcker ett bredare energiområde än LUNA-acceleratorn. Det tillåter oss, för första gången, att utforska reaktioner av stjärnheliumförbränning, som utspelar sig i stjärnor som Betelgeuse, vid laboratorieförhållanden. Genom dessa studier, vi kommer att lära oss om ursprunget till syre och kol som de viktigaste ingredienserna i biologiskt liv i universum, och vi kommer att lära oss om de mekanismer som stjärnor har utvecklat för att producera gradvis tyngre grundämnen genom neutronfusionsprocesser."

Wiescher och forskarassistent Dan Robertson leder teamet från Notre Dame, arbetar i samarbete med forskare från South Dakota School of Mines and Technology och Colorado School of Mines.

"Komplexiteten med att flytta en acceleratoranläggning djupt under jorden uppvägs i hög grad av de potentiella fördelarna när man återskapar kärnreaktioner av astrofysiskt intresse, " sade Robertson. "För närvarande, en betydande del av den information vi har om reaktioner som äger rum under de exakta förhållandena inuti en stjärna kan bara extrapoleras från data i andra energiområden. Det beror mest på att sannolikheten för den reaktionen är så liten, och utan material för en stjärna att leka med, det är svårt att mäta när man konkurrerar med kosmisk bakgrund. Vi hoppas kunna mäta nyckelreaktioner i elementära produktionsscenarier direkt, ge insikter i deras beteende och hjälpa till att förstå hur och var materialet i vår vardag producerades."

Den 50 fot långa lågenergipartikelacceleratorn monterades 4, 850 fot under jorden i augusti 2015 och transporterades i bitar från sitt ursprungliga hem i Notre Dame. Forskare lastade in bitarna i en burhiss och flyttade dem till experimentutrymmet i den tidigare Homestake Gold Mine via en gruvvagn. Att ta projektet under jorden skyddar det från den kosmiska strålningen som jorden utsätts för konstant, som kan störa mycket känsliga fysikexperiment.

"Den här typen av studier behöver en miljö fri från kosmiska strålar som bara tillhandahålls på platser som SURF, sa Wiescher.

Kärnfusionen som sker inuti en stjärna är det som skapar de grundämnen som är nödvändiga för livet. Äldre stjärnor, föddes runt tiden för Big Bang, består av väldigt få element, medan yngre stjärnor inkluderar en uppbyggnad av tyngre element som bly och guld.

Att förstå att uppbyggnad av element bara är en av många frågor som forskare hoppas kunna svara på genom en serie CASPAR-experiment.

Med pågående verksamhet, teamet planerar att påbörja datainsamlingen under hösten.