Forskare från Institute of Modern Physics (IMP) vid den kinesiska vetenskapsakademin och deras medarbetare har nyligen gjort stora framsteg i studiet av stjärnans beta-sönderfallshastighet av ⁵⁹ Fe, vilket utgör ett viktigt steg mot förståelse ⁶⁰ Fe-nukleosyntes i massiva stjärnor. Resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev den 12 april.

Radioaktiv nuklid ⁶⁰ Fe spelar en viktig roll i nukleära astrofysiska studier. Den syntetiseras i massiva stjärnor genom successiva neutronfångster på en stabil kärna av ⁵⁸ Fe och, under de sena stadierna av stjärnutvecklingen, kastas ut i rymden via en kärnkollaps supernova.

De karakteristiska gammalinjerna förknippade med sönderfallet av ⁶⁰ Fe har detekterats av rymd-gammastrålningsdetektorer. Genom att jämföra ⁶⁰ Fe gammastrålningsflöde till att från ²⁶ Al, som delar ett liknande ursprung som ⁶⁰ Fe, forskare bör kunna få viktig information om nukleosyntes och stjärnmodeller. Dock, det observerade gammastrålflödesförhållandet ²⁶ Al/ ⁶⁰ Fe stämmer inte överens med teoretiska förutsägelser på grund av osäkerheter i både stjärnmodeller och nukleära dataingångar.

Den stellar beta-sönderfallshastighet på ⁵⁹ Fe är bland de största osäkerheterna i kärnkraftsdatainmatning. Under nukleosyntesen av ⁶⁰ Fe i massiva stjärnor, ⁵⁹ Fe kan antingen fånga en neutron för att producera ⁶⁰ Fe eller beta förfall till ⁵⁹ Co. Därför, den stellar beta-sönderfallshastigheten på ⁵⁹ Fe är avgörande för utbytet av ⁶⁰ Fe.

Även om sönderfallshastigheten för ⁵⁹ Fe har mätts noggrant i laboratorier, dess sönderfallshastighet kan förbättras avsevärt i stjärnmiljöer på grund av bidrag från dess exciterade tillstånd. Dock, direkt mätning av beta-sönderfallshastigheten från exciterade tillstånd är mycket utmanande eftersom man måste skapa en högtemperaturmiljö som i stjärnor för att hålla ⁵⁹ Fe-kärnor i deras exciterade tillstånd.

För att lösa detta problem, forskare vid IMP föreslog en ny metod för att mäta den stellar beta-sönderfallshastighet av ⁵⁹ Fe. "Kärnladdningsutbytesreaktionen är ett indirekt mätningsalternativ, som ger viktig information om kärnkraftsstrukturen som kan bestämma dessa nedbrytningshastigheter." sa Gao Bingshui, en forskare vid IMP.

Forskarna genomförde sitt experiment vid Coupled Cyclotron Facility vid Michigan State University. I experimentet, en sekundär tritonstråle producerad av cyklotronerna användes för att bombardera en ⁵⁹ Sammål. Sedan reaktionsprodukterna, ³ Han partiklar och gammastrålar, detekterades av S800-spektrometern och GRETINA gammastrålningsdetekteringsmatris. Med hjälp av denna information, beta-nedbrytningshastigheterna från ⁵⁹ Fe-exciterade tillstånd bestämdes. Denna mätning eliminerade således en av de största kärntekniska osäkerheterna i att förutsäga utbytet av ⁶⁰ Fe.

Genom att jämföra beräkningar av stjärnmodeller med hjälp av de nya data för avklingningshastigheten med tidigare beräkningar, forskarna fann att för en stjärna på 18 solmassor, avkastningen av ⁶⁰ Fe är 40 % mindre när man använder nya data. Resultatet pekar på en minskad spänning i diskrepansen i ²⁶ Al/ ⁶⁰ Fe-förhållanden mellan teoretiska förutsägelser och observationer.

"Det är ett viktigt steg mot förståelse ⁶⁰ Fe-nukleosyntes i massiva stjärnor och det kommer att ge en mer solid grund för framtida astrofysiska simuleringar, sa Li Kuoang, Gaos kollaboratör.