En ny nukleosyntesprocess betecknad som νr-processen har föreslagits av forskare från GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Technische Universität Darmstadt och Max Planck Institute for Astrophysics. Den fungerar när neutronrikt material utsätts för ett högt flöde av neutriner.
Det teoretiska förslaget, som nyligen publicerades i Physical Review Letters , kan vara lösningen på ett långvarigt problem relaterat till produktionen av en grupp sällsynta isotoper som finns i solsystemet men vars ursprung fortfarande är dåligt förstådd, de så kallade p-kärnorna.
Fusionsprocesser som arbetar i massiva stjärnor producerar kärnor upp till järn och nickel. Utöver dem produceras de flesta av de stabila tunga kärnorna, som bly och guld, via långsamma eller snabba neutronfångningsprocesser.
För produktionen av resten av dem, som har neutronbrist, har en mängd olika nukleosyntesprocesser föreslagits. Det har dock varit en utmaning att förklara de stora mängderna 92,94 mån, 96,98 Ru och 92 Nb i det (tidiga) solsystemet.
νr-processen möjliggör samtidig produktion av alla dessa kärnor eftersom neutriner katalyserar en serie infångningsreaktioner.
Så här fungerar processen:νr-processen verkar i neutronrika utflöden i astrofysiska explosioner som initialt, när temperaturerna är höga, består av neutroner och kärnor som finns runt järn och nickel.
När temperaturen på materialet minskar, produceras tyngre kärnor från lättare kärnor genom en sekvens av neutronfångningar och svaga interaktionsprocesser. Men till skillnad från den snabba neutroninfångningsprocessen, där de svaga reaktionerna är beta-sönderfall, är de neutrinoabsorptionsreaktioner för νr-processen.
När de fria neutronerna är uttömda, omvandlar ytterligare neutrinoabsorptionsreaktioner neutroner bundna i kärnor till protoner som skjuter de producerade kärnorna mot och till och med bortom beta-stabilitetslinjen.
Neutrinernas energier är tillräckligt stora för att excitera kärnor till tillstånd som sönderfaller genom emission av neutroner, protoner och alfapartiklar. De emitterade partiklarna fångas upp av de tunga kärnorna.
Detta utlöser en serie infångningsreaktioner katalyserade av neutriner som bestämmer de slutliga mängderna av element som produceras av νr-processen. På så sätt kan neutriner producera neutronbristkärnor som annars är otillgängliga.
"Vårt fynd öppnar en ny möjlighet att förklara ursprunget till p-kärnor via neutrinoabsorptionsreaktioner på kärnor", säger Zewei Xiong, forskare vid GSI/FAIR Nuclear Astrophysics and Structure Department och motsvarande författare till publikationen.
Efter att ha bestämt serien av reaktioner som driver νr-processen, återstår vilken typ av stjärnexplosion där den inträffar att identifieras.
I sin publikation föreslog författarna att νr-processen fungerar i material som kastas ut i en miljö med starka magnetfält, såsom i magnetroterande supernovor, kollapsarer eller magnetarer.
Detta förslag har fått astrofysiker att söka efter lämpliga förhållanden, och faktiskt har en första publikation redan rapporterat att magnetiskt drivna utstötningar når de nödvändiga villkoren.
νr-processen kräver kunskap om neutrinoreaktioner och neutroninfångningsreaktioner på kärnor belägna på båda sidor om beta-stabilitetslinjen. Att mäta relevanta reaktioner kommer att bli möjligt med de unika lagringsringsmöjligheterna vid GSI/FAIR-anläggningen.
Mer information: Zewei Xiong et al, Produktion av p-kärnor från r-Process Seeds:The νr Process, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.192701
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
