Картина численности, основанная на расчетах в этой статье (модель ν i-процесса; фиолетовая линия), по сравнению с данными о численности s-процесса (серая линия) и r-процесса (черная линия) в Солнечной системе (Sneden et al. 2008). Частота ν i для A = 143 масштабируется до данных солнечного процесса r для сравнения закономерностей. |Источник: Балантекин и др., Астрофизический журнал.
Элементы являются строительными блоками всех химических веществ во Вселенной, но как и где возникли различные элементы, еще не до конца изучено. Новая статья в Astrophysical Journal Бахи Балантекина, профессора физики из Университета Висконсин-Мэдисон, и его коллег из Сети нейтрино, ядерной астрофизики и симметрии (N3AS) Physics Frontier Center показывает, как запутанные нейтрино ответственны за образование элементы с атомным номером выше примерно 140 могут потребоваться для захвата нейтронов в среднескоростном или i-процессе.
«Неясно, где образуются химические элементы, и мы не знаем всех возможных путей», — говорит Балантекин. «Мы думаем, что некоторые из них образуются в результате взрывов сверхновых или столкновений нейтронных звезд, и многие из этих объектов подчиняются законам квантовой механики. Поэтому вы можете использовать звезды для изучения аспектов квантовой механики».
Что уже известно
Сразу после Большого взрыва появилось много более легких элементов, таких как водород и гелий. Более тяжелые элементы, включая железо (атомный номер 26), продолжали образовываться в результате ядерного синтеза в центрах горячих звезд. Выше железа термоядерный синтез больше не является энергетически выгодным, и ядерный синтез происходит посредством захвата нейтронов, при котором нейтроны связываются с атомными ядрами. При достаточно высоких концентрациях нейтроны могут превращаться в протоны, увеличивая атомный номер элемента на единицу.
Это преобразование зависит от нейтрино и антинейтрино. Захват нейтронов может происходить медленно (s-процесс, в течение нескольких лет) и быстро (r-процесс, в течение нескольких минут). Был предложен промежуточный период времени, i-процесс, но доказательств этому мало. Быстрый или промежуточный захват нейтронов может произойти только в катастрофах, которые выделяют большое количество энергии, таких как коллапс сверхновой.
«Когда происходит коллапс сверхновой, вы начинаете с большой звезды, связанной гравитацией, и эта связь имеет энергию», — говорит Балантекин. «Когда он коллапсирует, эта энергия должна высвободиться, и оказывается, что энергия высвобождается в виде нейтрино».
Законы квантовой механики гласят, что эти нейтрино могут запутываться, поскольку взаимодействуют друг с другом в коллапсирующей сверхновой. Запутывание происходит, когда любые две или более частицы взаимодействуют друг с другом, а затем «запоминают» друг друга, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга.
«Один вопрос, который мы можем себе задать: запутаны ли эти нейтрино друг с другом или нет», — говорит Балантекин. «Эта статья показывает, что когда нейтрино запутаны, происходит новый усиленный процесс производства элементов, i-процесс».
Экспериментальные и смоделированные доказательства
Исследователи основывали свои расчеты на двух общеизвестных фактах: известных скоростях захвата нейтронов и каталогах атомных спектров звезд, которые астрономы собирали на протяжении десятилетий для определения содержания различных элементов. Они также знали, что при коллапсе сверхновой образуется около 1058 нейтрино — число, слишком большое для использования в стандартных расчетах.
Вместо этого они провели моделирование с участием до восьми нейтрино и рассчитали количество элементов, которые были бы созданы в результате захвата нейтронов, если бы нейтрино были запутаны или нет.
«У нас есть система, скажем, из трех нейтрино и трех антинейтрино в области, где есть протоны и нейтроны, и посмотрим, изменит ли это что-нибудь в формировании элементов», — говорит Балантекин. «Мы рассчитали содержание элементов, образующихся в звезде, и видим, что содержание различается в зависимости от запутанных и незапутанных элементов».
Моделирование показало, что для элементов с атомным номером выше 140 скорость захвата нейтронов в i-процессе, вероятно, увеличивается — но только в том случае, если нейтрино запутаны.
Предостережения и будущая работа
Балантекин отмечает, что эти симуляции являются всего лишь «намеками», основанными на астрономических наблюдениях. Астрофизические исследования требуют использования космоса в качестве лаборатории, а проводить настоящие экспериментальные испытания на Земле сложно.
«Существует нечто, называемое Стандартной моделью физики элементарных частиц, которая управляет взаимодействием частиц. Взаимодействие нейтрино-нейтрино — это аспект Стандартной модели, который не был проверен в лаборатории, но может быть проверен только в астрофизических крайностях», — говорит Балантекин.
«Но другие аспекты Стандартной модели были проверены в лаборатории, поэтому считается, что все они должны работать». запутанные нейтрино.
Информация от: факультетом физики Университета Висконсина.
