Die Elementerstellung im Labor vertieft das Verständnis

DOE/Oak Ridge National Laboratory

Video: In dieser Animation ernährt sich ein leistungsstarker Neutronenstern (rechts) von einem Begleitstern. Kernreaktionen auf der Oberfläche eines Neutronensterns können erneut entfachen und eine komplexe Mischung von Reaktanten erzeugen.mehr sehen

Bildnachweis: Jacquelyn DeMink/ORNL, US-Energieministerium

Unter der Leitung von Kelly Chipps vom Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben im Labor arbeitende Wissenschaftler eine charakteristische Kernreaktion erzeugt, die auf der Oberfläche eines Neutronensterns stattfindet und Masse von einem Begleitstern verschlingt. Ihre Leistung verbessert das Verständnis stellarer Prozesse, die verschiedene Kernisotope erzeugen.

„Neutronensterne sind sowohl aus kernphysikalischer als auch aus astrophysikalischer Sicht wirklich faszinierend“, sagte die ORNL-Kernastrophysikerin Kelly Chipps, die eine in Physical Review Letters veröffentlichte Studie leitete. „Ein tieferes Verständnis ihrer Dynamik könnte dabei helfen, die kosmischen Rezepte der Elemente in allem, vom Menschen bis zum Planeten, aufzudecken.“

Chipps leitet die Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics (JENSA), an der neun Institutionen in drei Ländern zusammenarbeiten. Das Team nutzt ein einzigartiges Gasstrahl-Zielsystem, das für Beschleunigerexperimente den Heliumstrahl mit der höchsten Dichte der Welt erzeugt, um Kernreaktionen zu verstehen, die auf der Erde nach der gleichen Physik ablaufen wie im Weltraum.

Durch den Prozess der Nukleosynthese entstehen neue Atomkerne. Ein Element kann sich in ein anderes verwandeln, wenn Protonen oder Neutronen eingefangen, ausgetauscht oder ausgestoßen werden.

Ein Neutronenstern hat eine enorme Anziehungskraft, die Wasserstoff und Helium von einem nahegelegenen Stern einfangen kann. Das Material sammelt sich auf der Oberfläche des Neutronensterns, bis es sich in wiederholten Explosionen entzündet, die neue chemische Elemente erzeugen.

Viele Kernreaktionen, die die Explosionen auslösen, sind noch nicht untersucht. Jetzt haben JENSA-Mitarbeiter in einem Labor der Michigan State University eine dieser typischen Kernreaktionen erzeugt. Es schränkt das theoretische Modell, das normalerweise zur Vorhersage der Elementbildung verwendet wird, direkt ein und verbessert das Verständnis der Sterndynamik, die Isotope erzeugt.

Das JENSA-System wurde am ORNL und jetzt in der Facility for Rare Isotope Beams, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, die von der MSU betrieben wird, gebaut und stellt ein Ziel aus leichtem Gas bereit, das dicht, rein und innerhalb weniger Millimeter lokalisiert ist. JENSA wird auch das Hauptziel für den Separator for Capture Reactions (SECAR) sein, ein Detektorsystem am FRIB, das es experimentellen Nuklearastrophysikern ermöglicht, die Reaktionen, die explodierende Sterne antreiben, direkt zu messen. Co-Autor Michael Smith von ORNL und Chipps sind Mitglieder des SECAR-Projektteams.

Für das aktuelle Experiment trafen die Wissenschaftler ein Ziel aus Alphateilchen (Helium-4-Kerne) mit einem Strahl aus Argon-34. (Die Zahl hinter einem Isotop gibt die Gesamtzahl an Protonen und Neutronen an.) Das Ergebnis dieser Fusion erzeugte Calcium-38-Kerne mit 20 Protonen und 18 Neutronen. Da diese Kerne angeregt waren, stießen sie Protonen aus und endeten als Kalium-37-Kerne.

Hochauflösende Detektoren für geladene Teilchen, die den Gasstrahl umgeben, haben die Energien und Winkel der Protonenreaktionsprodukte präzise gemessen. Die Messung nutzte Detektoren und Elektronik, die am ORNL unter der Leitung des Kernphysikers Steven Pain entwickelt wurden. Unter Berücksichtigung der Energie- und Impulserhaltung führten die Physiker Rückrechnungen durch, um die Dynamik der Reaktion zu ermitteln.

„Wir wissen nicht nur, wie viele Reaktionen stattgefunden haben, sondern wir kennen auch die spezifische Energie, in der sich der endgültige Kalium-37-Kern befand, eine der vom theoretischen Modell vorhergesagten Komponenten“, sagte Chipps.

Das Laborexperiment verbessert das Verständnis der Kernreaktionen, die auftreten, wenn Material auf die Oberfläche einer wichtigen Untergruppe von Neutronensternen fällt. Diese Sterne entstehen, wenn einem massereichen Stern der Treibstoff ausgeht und er zu einer Kugel kollabiert, die etwa so groß ist wie eine Stadt wie Atlanta, Georgia. Dann drückt die Schwerkraft die Elementarteilchen so nah wie möglich zusammen und erzeugt so die dichteste Materie, die wir direkt beobachten können. Ein Teelöffel Neutronenstern würde so viel wie ein Berg wiegen. Mit Neutronen gefüllte Sterne rotieren schneller als Mixerblätter und bilden die stärksten Magnete im Universum. Sie haben feste Krusten, die flüssige Kerne umgeben, die Material in Form von Spaghetti oder Lasagnenudeln enthalten, was ihnen den Spitznamen „Kernnudeln“ einbringt.

„Da Neutronensterne so seltsam sind, sind sie ein nützliches natürlich vorkommendes Labor, um zu testen, wie sich Neutronenmaterie unter extremen Bedingungen verhält“, sagte Chipps.

Um dieses Verständnis zu erreichen, ist Teamarbeit erforderlich. Astronomen beobachten den Stern und sammeln Daten. Theoretiker versuchen, die Physik im Inneren des Sterns zu verstehen. Kernphysiker messen Kernreaktionen im Labor und testen sie anhand von Modellen und Simulationen. Diese Analyse reduziert große Unsicherheiten, die aus einem Mangel an experimentellen Daten resultieren. „Wenn man all diese Dinge zusammenfasst, beginnt man wirklich zu verstehen, was passiert“, sagte Chipps.

„Da der Neutronenstern superdicht ist, kann seine enorme Schwerkraft Wasserstoff und Helium von einem Begleitstern anziehen. Wenn dieses Material auf die Oberfläche fällt, steigen Dichte und Temperatur so stark an, dass es zu einer thermonuklearen Explosion kommen kann, die sich über die Oberfläche ausbreiten kann. "sagte Chipps. Thermonukleares Durchgehen wandelt Kerne in schwerere Elemente um. „Die Reaktionssequenz kann Dutzende Elemente erzeugen.“

Oberflächenexplosionen zerstören den Neutronenstern nicht, sondern macht wieder zu dem, was er zuvor getan hat: Er ernährt sich von seinem Begleiter und explodiert. Wiederholte Explosionen ziehen Krustenmaterial in die Mischung und erzeugen eine bizarre Zusammensetzung, in der schwere Elemente, die bei früheren Explosionen entstanden sind, mit leichtem Wasserstoff und Helium reagieren.

Theoretische Modelle sagen voraus, welche Elemente entstehen. Wissenschaftler analysieren die Reaktion, die das JENSA-Team gemessen hat, typischerweise mithilfe eines statistischen theoretischen Modells namens Hauser-Feshbach-Formalismus, das davon ausgeht, dass ein Kontinuum angeregter Energieniveaus eines Kerns an einer Reaktion beteiligt sein kann. Andere Modelle gehen stattdessen davon aus, dass nur ein einziges Energieniveau beteiligt ist.

„Wir testen den Übergang zwischen der Gültigkeit und der Ungültigkeit des statistischen Modells“, sagte Chipps. „Wir wollen verstehen, wo dieser Übergang stattfindet. Da es sich bei Hauser-Feshbach um einen statistischen Formalismus handelt – er beruht auf einer großen Anzahl von Energieniveaus, sodass die Auswirkungen über jedes einzelne Niveau gemittelt werden – suchen wir nach der Stelle, an der diese Annahme zu brechen beginnt.“ Bei Kernen wie Magnesium-22 und Argon-34 besteht die Erwartung, dass der Kern nicht über genügend Niveaus verfügt, damit dieser Mittelungsansatz gültig wäre. Das wollten wir testen.“

Es blieb die Frage offen, ob das statistische Modell für solche Reaktionen gültig ist, die in Sternen statt in irdischen Labors stattfinden. „Unser Ergebnis hat gezeigt, dass das statistische Modell für diese spezielle Reaktion gültig ist und dass dadurch eine enorme Unsicherheit in unserem Verständnis von Neutronensternen beseitigt wird“, sagte Chipps. „Das bedeutet, dass wir jetzt besser verstehen, wie diese nuklearen Reaktionen ablaufen.“

Als nächstes werden die Forscher versuchen, das statistische Modell zu verbessern, indem sie seine Grenzen weiter testen. Eine frühere Arbeit untersuchte die Atommasse 22, einen Magnesiumkern, und stellte fest, dass das Modell um fast den Faktor 10 falsch war. Die aktuelle von der ORNL geleitete Arbeit untersuchte 12 Atommasseneinheiten darüber und kam zu dem Ergebnis, dass das Modell die Reaktionsgeschwindigkeiten korrekt vorhersagte.

„Irgendwo zwischen der [atomaren] Masse 20 und 30 findet dieser Übergang zwischen dem gültigen und dem nicht gültigen statistischen Modell statt“, sagte Chipps. „Als nächstes müssen wir nach Reaktionen in der Mitte dieses Bereichs suchen, um zu sehen, wo dieser Übergang stattfindet.“ Chipps und ihre JENSA-Mitarbeiter haben dieses Unterfangen begonnen.

Der Titel der Arbeit lautet „Erste direkte Messung des 34Ar(α,p)37K-Reaktionsquerschnitts für die Verbrennung gemischten Wasserstoffs und Heliums in akkretierenden Neutronensternen.“

Das Office of Science des DOE, die National Science Foundation und das Laboratory Directed Research and Development-Programm des ORNL unterstützten die Arbeit.

UT-Battelle verwaltet ORNL für das Office of Science des Energieministeriums, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science. — Dawn Levy

Briefe zur körperlichen Untersuchung

10.1103/PhysRevLett.130.212701

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Erste direkte Messung zur Einschränkung des 34 Ar (α, p) 37 K-Reaktionsquerschnitts für gemischte Wasserstoff- und Heliumverbrennung in akkretierenden Neutronensternen

22. Mai 2023

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