La creación de elementos en el laboratorio profundiza la comprensión

DOE/Laboratorio Nacional de Oak Ridge

video: En esta animación, una poderosa estrella de neutrones, a la derecha, se alimenta de una estrella compañera. Las reacciones nucleares en la superficie de una estrella de neutrones pueden volver a encenderse, creando una mezcla compleja de reactivos.ver más

Crédito: Jacquelyn DeMink/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.

Dirigidos por Kelly Chipps del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, los científicos que trabajan en el laboratorio han producido una reacción nuclear característica que ocurre en la superficie de una estrella de neutrones que engulle la masa de una estrella compañera. Su logro mejora la comprensión de los procesos estelares que generan diversos isótopos nucleares.

"Las estrellas de neutrones son realmente fascinantes desde el punto de vista tanto de la física nuclear como de la astrofísica", dijo la astrofísica nuclear de ORNL Kelly Chipps, quien dirigió un estudio publicado en Physical Review Letters. "Una comprensión más profunda de su dinámica puede ayudar a revelar las recetas cósmicas de los elementos en todo, desde las personas hasta los planetas".

Chipps dirige Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics, o JENSA, que cuenta con colaboradores de nueve instituciones en tres países. El equipo utiliza un sistema único de objetivo de chorro de gas, que produce el chorro de helio de mayor densidad del mundo para experimentos con aceleradores, para comprender las reacciones nucleares que proceden con la misma física en la Tierra que en el espacio exterior.

El proceso de nucleosíntesis crea nuevos núcleos atómicos. Un elemento puede convertirse en otro cuando se capturan, intercambian o expulsan protones o neutrones.

Una estrella de neutrones tiene una atracción gravitacional inmensa que puede capturar hidrógeno y helio de una estrella cercana. El material se acumula en la superficie de la estrella de neutrones hasta que se enciende en repetidas explosiones que crean nuevos elementos químicos.

Muchas reacciones nucleares que impulsan las explosiones siguen sin estudiarse. Ahora, los colaboradores de JENSA han producido una de estas reacciones nucleares características en un laboratorio de la Universidad Estatal de Michigan. Restringe directamente el modelo teórico que se suele utilizar para predecir la formación de elementos y mejora la comprensión de la dinámica estelar que genera isótopos.

Construido en ORNL y ahora en la Instalación para haces de isótopos raros, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que opera MSU, el sistema JENSA proporciona un objetivo de gas liviano que es denso, puro y localizado dentro de un par de milímetros. JENSA también proporcionará el objetivo principal para el Separador para reacciones de captura, o SECAR, un sistema detector en FRIB que permite a los astrofísicos nucleares experimentales medir directamente las reacciones que impulsan las estrellas en explosión. El coautor Michael Smith de ORNL y Chipps son miembros del equipo de proyecto de SECAR.

Para el experimento actual, los científicos golpearon un objetivo de partículas alfa (núcleos de helio-4) con un haz de argón-34. (El número después de un isótopo indica su número total de protones y neutrones). El resultado de esa fusión produjo núcleos de calcio-38, que tienen 20 protones y 18 neutrones. Debido a que esos núcleos estaban excitados, expulsaron protones y terminaron como núcleos de potasio-37.

Los detectores de partículas cargadas de alta resolución que rodeaban el chorro de gas midieron con precisión las energías y los ángulos de los productos de reacción de los protones. La medición aprovechó los detectores y la electrónica desarrollados en ORNL bajo la dirección del físico nuclear Steven Pain. Teniendo en cuenta la conservación de la energía y el momento, los físicos volvieron a calcular para descubrir la dinámica de la reacción.

"No solo sabemos cuántas reacciones ocurrieron, sino que también sabemos la energía específica en la que terminó el núcleo final de potasio-37, que es uno de los componentes predichos por el modelo teórico", dijo Chipps.

El experimento de laboratorio mejora la comprensión de las reacciones nucleares que ocurren cuando el material cae sobre la superficie de un subconjunto importante de estrellas de neutrones. Estas estrellas nacen cuando una estrella masiva se queda sin combustible y colapsa en una esfera del tamaño de una ciudad como Atlanta, Georgia. Luego, la gravedad aprieta las partículas fundamentales lo más cerca posible, creando la materia más densa que podemos observar directamente. Una cucharadita de estrella de neutrones pesaría tanto como una montaña. Las estrellas llenas de neutrones giran más rápido que las cuchillas de una licuadora y forman los imanes más fuertes del universo. Tienen costras sólidas que rodean núcleos líquidos que contienen material con forma de espagueti o fideos de lasaña, lo que les valió el apodo de "pasta nuclear".

"Debido a que las estrellas de neutrones son tan raras, son un laboratorio natural útil para probar cómo se comporta la materia de neutrones en condiciones extremas", dijo Chipps.

Lograr esa comprensión requiere trabajo en equipo. Los astrónomos observan la estrella y recopilan datos. Los teóricos tratan de entender la física dentro de la estrella. Los físicos nucleares miden las reacciones nucleares en el laboratorio y las comparan con modelos y simulaciones. Ese análisis reduce las grandes incertidumbres resultantes de la escasez de datos experimentales. "Cuando pones todas esas cosas juntas, realmente empiezas a entender lo que está pasando", dijo Chipps.

"Debido a que la estrella de neutrones es superdensa, su enorme gravedad puede atraer hidrógeno y helio de una estrella compañera. A medida que este material cae a la superficie, la densidad y la temperatura aumentan tanto que puede ocurrir una explosión termonuclear que puede propagarse a través de la superficie, dijo Chipps. La fuga termonuclear transforma los núcleos en elementos más pesados. "La secuencia de reacción puede producir docenas de elementos".

Las explosiones en la superficie no destruyen la estrella de neutrones, que vuelve a lo que estaba haciendo antes: alimentarse de su compañera y explotar. Explosiones repetidas atraen material de la corteza a la mezcla, creando una composición extraña en la que los elementos pesados ​​formados durante explosiones anteriores reaccionan con hidrógeno ligero y helio.

Los modelos teóricos predicen qué elementos se forman. Los científicos suelen analizar la reacción que midió el equipo de JENSA utilizando un modelo teórico estadístico llamado formalismo de Hauser-Feshbach, que supone que un continuo de niveles de energía excitados de un núcleo puede participar en una reacción. En cambio, otros modelos asumen que solo participa un único nivel de energía.

"Estamos probando la transición entre que el modelo estadístico sea válido o inválido", dijo Chipps. "Queremos entender dónde ocurre esa transición. Debido a que Hauser-Feshbach es un formalismo estadístico, se basa en tener una gran cantidad de niveles de energía para que los efectos sobre cada nivel individual se promedien, estamos buscando dónde comienza a romperse esa suposición. hacia abajo. Para núcleos como el magnesio-22 y el argón-34, existe la expectativa de que el núcleo no tenga niveles suficientes para que este enfoque promedio sea válido. Queríamos probar eso".

Quedaba una pregunta sobre si el modelo estadístico era válido para tales reacciones que tienen lugar en estrellas en lugar de laboratorios terrestres. "Nuestro resultado ha demostrado que el modelo estadístico es válido para esta reacción en particular y eso elimina una tremenda incertidumbre de nuestra comprensión de las estrellas de neutrones", dijo Chipps. "Significa que ahora tenemos una mejor comprensión de cómo se desarrollan esas reacciones nucleares".

A continuación, los investigadores intentarán mejorar el modelo estadístico probando más sus límites. Un artículo anterior exploró la masa atómica 22, un núcleo de magnesio, y encontró que el modelo era incorrecto por casi un factor de 10. El artículo actual dirigido por ORNL, que investigó 12 unidades de masa atómica por encima de esto, encontró que el modelo predijo correctamente las velocidades de reacción.

"En algún lugar entre la masa [atómica] 20 y 30, está ocurriendo esta transición entre donde el modelo estadístico es válido y donde no es válido", dijo Chipps. "Lo siguiente es buscar reacciones en el medio de ese rango para ver dónde está ocurriendo esta transición". Chipps y sus colaboradores de JENSA han comenzado ese esfuerzo.

El título del artículo es "Primera medición directa de la sección transversal de la reacción 34Ar(α,p)37K para la combustión mixta de hidrógeno y helio en estrellas de neutrones en acreción".

La Oficina de Ciencias del DOE, la Fundación Nacional de Ciencias y el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de ORNL apoyaron el trabajo.

UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science. —Ley del amanecer

Cartas de revisión física

10.1103/PhysRev Lett.130.212701

Estudio experimental

No aplica

Primera medición directa que restringe la sección transversal de reacción de 34 Ar ( α , p ) 37 K para la quema mixta de hidrógeno y helio en estrellas de neutrones en acreción

22-may-2023

Descargo de responsabilidad: AAAS y Eurek Alert! no son responsables de la precisión de los comunicados de prensa publicados en EurekAlert! por instituciones contribuyentes o para el uso de cualquier información a través del sistema EurekAlert.