Cerium är en sällsynt jordartsmetall som har många tekniska tillämpningar, till exempel i vissa typer av glödlampor och platt-TV. Även om elementet är sällsynt i jordskorpan, är det något mer rikligt i universum. Mycket är dock okänt om hur det syntetiseras i stjärnor.
Nu, i en ny studie publicerad i Physical Review Letters , n_TOF-samarbetet vid CERN undersöker hur cerium produceras i stjärnor. Resultaten skiljer sig från vad som förväntades av teorin, vilket tyder på ett behov av att se över de mekanismer som tros vara ansvariga för produktionen av cerium – och andra tyngre grundämnen – i universum.
"Mätningen vi genomförde gjorde det möjligt för oss att identifiera kärnresonanser som aldrig tidigare observerats i energiområdet som är involverat i produktionen av cerium i stjärnor", förklarar Simone Amaducci från INFN:s Southern National Laboratories och första författare till studien. "Detta är tack vare den mycket höga energiupplösningen hos experimentapparaten vid CERN och tillgången på ett mycket rent prov av cerium 140."
Det överflöd av element som är tyngre än järn som observeras i stjärnor (som tenn, silver, guld och bly) kan reproduceras matematiskt genom att anta att det finns två neutroninfångningsprocesser:den långsamma (s) processen och den snabba (r) processen.
s-processen motsvarar ett neutronflöde på 10 miljoner neutroner per kubikcentimeter medan r-processen har ett flöde på mer än en miljon miljarder miljarder neutroner per kubikcentimeter. s-processen är teoretiserad att producera ungefär hälften av de grundämnen som är tyngre än järn i universum, inklusive cerium.
CERN:s Neutron Time-of-Flight-anläggning (n_TOF) är designad för att studera neutroninteraktioner, som de som uppstår i stjärnor. I denna studie använde forskarna anläggningen för att mäta kärnreaktionen av cerium 140 isotopen med en neutron för att producera isotop 141.
Enligt sofistikerade teoretiska modeller spelar just denna reaktion en avgörande roll i syntesen av tunga grundämnen i stjärnor. Specifikt tittade forskarna på reaktionens tvärsnitt:den fysiska kvantitet som uttrycker sannolikheten för att en reaktion inträffar. Forskarna mätte tvärsnittet vid ett brett spektrum av energier med en noggrannhet som var 5 % högre än tidigare mätningar.
Resultaten öppnar för nya frågor om universums kemiska sammansättning. "Det som fascinerade oss i början var en diskrepans mellan teoretiska stjärnmodeller och observationsdata för cerium i stjärnorna i klothopen M22 i konstellationen Skytten", förklarar Sergio Cristallo från INAF:s Abruzzo Astronomical Observatory, som föreslog experimentet.
"De nya kärnkraftsdata skiljer sig markant, upp till 40 %, från data som finns i de nukleära databaserna som för närvarande används, definitivt bortom den uppskattade osäkerheten."
Dessa resultat har anmärkningsvärda astrofysiska implikationer, vilket tyder på en 20% minskning av bidraget från s-processen till överflöd av cerium i universum. Detta innebär att ett paradigmskifte krävs i teorin om ceriumnukleosyntes:andra fysikaliska processer som för närvarande inte ingår skulle behöva beaktas vid beräkningar av stjärnutveckling.
Dessutom har de nya uppgifterna en betydande inverkan på forskarnas förståelse av galaxernas kemiska utveckling, vilket också påverkar produktionen av tyngre grundämnen i universum.
Mer information: S. Amaducci et al, Mätning av Ce140(n,γ) tvärsnittet vid n_TOF och dess astrofysiska konsekvenser för universums kemiska utveckling, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.122701
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av CERN
