Tunga grundämnen produceras under stjärnexplosion eller på neutronstjärnans ytor genom infångning av vätekärnor (protoner). Detta sker vid extremt höga temperaturer, men vid relativt låga energier. Ett internationellt forskarlag under ledning av Goethe-universitetet har nu lyckats undersöka fångsten av protoner vid lagringsringen i GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung.

Som forskarna rapporterar i det aktuella numret av Fysiska granskningsbrev , deras mål var att mer exakt bestämma sannolikheten för en protonfångning i astrofysiska scenarier. Som Dr Jan Glorius från GSI:s atomfysiska forskningsavdelning förklarar, de ställdes inför två utmaningar i denna strävan:"Reaktionerna är mest sannolika under astrofysiska omständigheter i ett energiområde som kallas Gamow-fönstret. I detta område, kärnor tenderar att vara något långsamma, vilket gör dem svåra att få i den intensitet som krävs. Dessutom, tvärsnittet – sannolikheten för protonfångning – minskar snabbt med energi. Tills nu, det har varit nästan omöjligt att skapa de rätta förutsättningarna i ett laboratorium för den här typen av reaktioner."

René Reifarth, Professor i experimentell astrofysik vid Goethe-universitetet föreslog en lösning redan för 10 år sedan:De låga energierna inom Gamow-fönsterområdet kan nås mer exakt när den tunga reaktionspartnern cirkulerar i en accelerator där den interagerar med en stationär protongas. Han nådde inledande framgångar i september 2015 med en grupp av Heimholtz forskare i tidiga karriärer. Sedan dess, hans team har fått utmärkt stöd från professor Yuri Litvinov, som leder det EU-finansierade forskningsprojektet ASTRUm vid GSI.

I experimentet, det internationella laget producerade först xenonjoner. De bromsades in i den experimentella lagringsringen ESR och fick interagera med protoner. Detta resulterade i reaktioner där xenonkärnorna fångade en proton och omvandlades till tyngre cesium – en process som den som sker i astrofysiska scenarier.

"Experimentet ger ett avgörande bidrag till att främja vår förståelse av nukleosyntes i kosmos, " säger René Reifarth. "Tack vare den högpresterande acceleratoranläggningen på GSI, vi kunde förbättra den experimentella tekniken för att bromsa den tunga reaktionspartnern. Vi har nu mer exakt kunskap om området där reaktionshastigheterna inträffar, som hittills bara hade förutspåtts teoretiskt. Detta tillåter oss att mer exakt modellera produktionen av element i universum."