Вокруг нас повсюду элементы, созданные в звёздах, от никеля и меди в монетах до золота и серебра в украшениях. Учёные хорошо понимают, как образуются эти элементы: во многих случаях ядро тяжелее железа захватывает нейтроны, пока один из них не распадается, превращая его в более тяжёлый элемент. Существует медленный вариант захвата нейтронов — s-процесс, и быстрый — r-процесс.
Но некоторые звёзды, похоже, не подчиняются правилам. Когда астрономы анализируют их свет, они видят неожиданные соотношения тяжёлых элементов, которые трудно объяснить двумя известными процессами. Аномалии указывают на третий способ: «промежуточный» i-процесс.
Матис Видекинг, физик-экспериментатор из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab), собирает данные о ядерных реакциях, которые могут улучшить модели формирования элементов. Он также является ведущим автором статьи в журнале Nature Reviews Physics о текущем состоянии исследований i-процесса, где эксперименты, теория и астрофизические наблюдения сходятся.
В этом интервью он рассказывает:
* как i-процесс вписывается в общую картину формирования элементов;
* что нужно для его изучения;
* почему это важно — как для понимания космоса, так и для развития технологий на Земле.
Откуда взялись все элементы вокруг нас
Вопрос о том, откуда взялись все элементы вокруг нас, был и остаётся одним из больших вопросов без ответа в физике. Мы хотим знать, как образуются элементы, особенно тяжелее железа. Они образуются в экстремальных условиях, которыми могут быть звезда, умирающая звезда, взрывающаяся звезда или другие сценарии. Это увлекательная тема.
Более 99% элементов тяжелее железа образуются в так называемых процессах захвата нейтронов. Они начинаются с начального стабильного ядра. Когда оно попадает в среду, богатую нейтронами, оно может захватывать всё больше и больше нейтронов. В конце концов оно достигает предела, когда ядро становится нестабильным и распадается, а один из нейтронов превращается в протон, образуя более тяжёлый элемент.
Для s-процесса, или медленного процесса захвата нейтронов, плотность нейтронов относительно низка. Во время быстрого процесса, или r-процесса, плотность нейтронов значительно превышает $10^{21}$ на кубический сантиметр. Из-за такой огромной плотности за секунду можно получить элементы в области актинидов, в области урана и плутония. А промежуточный процесс, или i-процесс, имеет плотность нейтронов и временные масштабы между двумя другими процессами.
Механизм был впервые предложен в 1977 году, но затем о нём почти забыли до последнего десятилетия. У нас появились новые телескопы, которые гораздо лучше наблюдают и анализируют свет от далёких звёзд, и эти новые астрономические наблюдения обнаружили аномалии в соотношениях элементов в некоторых звёздах, таких как звёзды с повышенным содержанием углерода и низким содержанием металлов.
Есть признаки того, что помимо s- и r-процессов происходит что-то ещё. Поэтому эта тема стала активной областью исследований для многих людей. Это относительно новая тема, но с большой активностью в теории, моделировании ядерной физики, экспериментальной физике и астрофизике.
Инструменты и методы исследования
Существуют космические и наземные телескопы, которые улавливают звёздный свет и анализируют его с помощью абсорбционной спектроскопии, чтобы определить, какие элементы существуют в звёздах. Но есть и теоретические физики и моделировщики ядерной физики, которые комбинируют то, что мы знаем об i-процессе, s-процессе и r-процессе, и пытаются смоделировать — на основе доступных ядерных данных — и воспроизвести наблюдаемые соотношения.
Эти модели очень сложны, и существует множество взаимосвязанных реакций. Многие реакции будут иметь большие неопределённости и влияние, поэтому они вернутся к экспериментальным физикам-ядерщикам вроде меня и попросят нас измерить их, чтобы у нас были более точные ядерные данные и мы могли ограничить процессы. Это постоянный процесс: запрашивать измерения, предоставлять измерения и выяснять, что нужно улучшить.
Одной из наиболее фундаментальных и важных величин, которые нам необходимо измерить, являются «сечения захвата нейтронов», вероятность поглощения нейтрона ядром. Это фундаментально для всех процессов захвата нейтронов. Проблема в том, что сечения захвата нейтронов можно в основном измерить только тогда, когда у вас есть стабильный материал. Но для ядер i-процесса, где i-процесс протекает по всей ядерной диаграмме, почти все они являются нестабильными ядрами. Непосредственно измерить их с помощью существующих прямых экспериментальных методов непросто, поэтому вместо этого мы должны использовать косвенные методы.
Для этого нам нужны ускорительные установки и, как правило, гамма-детекторы и детекторы частиц. Мы проводили измерения здесь, на 88-дюймовом циклотроне, по крайней мере, в течение последних 15 лет, а также проводили измерения в FRIB (Центр редких изотопных пучков), Аргоннской национальной лаборатории и по всему миру. Наши потребности в определённых измерениях приводят нас в разные учреждения, в которых есть необходимое оборудование для обнаружения или пучки, которые нам нужны. Мы можем использовать очень лёгкие и тяжёлые ускоренные частицы для наших измерений. Всякий раз, когда вы можете создать ядерную реакцию и реконструировать все энергии, не теряя энергию, которая остаётся необнаруженной, мы можем использовать её для извлечения этих свойств, чтобы включить их в астрофизические модели.
Мы хотим знать, действительно ли это объясняет некоторые из аномалий соотношений, которые мы видели в определённых типах звёзд. Другой интересный открытый вопрос заключается в том, заканчивается ли i-процесс аналогично s-процессу в области висмута или может идти дальше. Существует модель, которая предсказывает, что i-процесс может дойти до актинидов [элементы 89–103].
Исследования i-процесса активно ведутся только в последнее десятилетие, поэтому остаётся много открытых вопросов. Мы начинаем отвечать на некоторые из них, но иногда, когда мы решаем один вопрос, возникает другой.
Применение исследований i-процесса
Потребности в реакциях захвата нейтронов многочисленны. Многие приложения требуют понимания реакций захвата на нестабильных ядрах, поэтому косвенные измерения, которые мы проводим, предоставляют ценные данные о реакциях захвата нейтронов, которые мы не можем измерить напрямую. Это может быть использовано для моделирования ядерных реакторов следующего поколения. Это также может помочь решить, стоит ли заниматься определённым новым медицинским изотопом. Например, можно ли его достаточно произвести в лаборатории? Косвенные методы также уменьшают неопределённости ядерных данных, что может помочь инженерам при проектировании чего-либо. Существуют также приложения, связанные с национальной безопасностью и нераспространением.
Я думаю, что со временем мы сможем точно определить i-процесс. В настоящее время по всему миру анализируется множество наборов данных, полученных в результате уже проведённого времени работы с пучками. И в стадии подготовки находится множество будущих экспериментов, которые дадут нам больше данных. Поэтому я думаю, что мы поставим i-процесс на очень прочную основу, подобную s-процессу, и снизим экспериментальные неопределённости до такой степени, что будем иметь большую уверенность в том, что может или не может делать i-процесс. Так что, возможно, это объясняет аномалии, которые мы видим, а может и нет — и тогда теоретикам придёт время подумать снова.
Предоставлено Национальной лабораторией Лоуренса Беркли.