Ο χρυσός και άλλα βαρέα στοιχεία γεννιούνται σε μερικά από τα πιο βίαια γεγονότα του σύμπαντος, ωστόσο οι επιστήμονες εξακολουθούν να δυσκολεύονται να κατανοήσουν τα πυρηνικά βήματα που τα δημιουργούν.
Τώρα, πυρηνικοί φυσικοί αποκάλυψαν τρεις βασικές ανακαλύψεις σχετικά με το πώς διασπώνται οι ασταθείς ατομικοί πυρήνες κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ταχείας δέσμευσης νετρονίων, της αλυσιδωτής αντίδρασης που είναι υπεύθυνη για τη σφυρηλάτηση στοιχείων όπως ο χρυσός και η πλατίνα.
Ο χρυσός δεν μπορεί να σχηματιστεί μέχρι να διασπαστούν ορισμένοι ασταθείς ατομικοί πυρήνες. Ο ακριβής τρόπος με τον οποίο εξελίσσονται αυτοί οι πυρηνικοί μετασχηματισμοί ήταν για καιρό δύσκολο να προσδιοριστεί. Τώρα, πυρηνικοί φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Τενεσί (UT) αναφέρουν τρεις ανακαλύψεις σε μία μόνο μελέτη που αποσαφηνίζουν σημαντικά μέρη αυτής της διαδικασίας.
Τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να δημιουργήσουν βελτιωμένα μοντέλα των αστρικών γεγονότων που δημιουργούν βαρέα στοιχεία και να προβλέψουν καλύτερα τη συμπεριφορά των εξωτικών ατομικών πυρήνων.
Βαρέα στοιχεία όπως ο χρυσός και η πλατίνα σφυρηλατούνται κάτω από εξαιρετικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένων των περιπτώσεων που τα άστρα καταρρέουν, εκρήγνυνται ή συγκρούονται.
Αυτά τα γεγονότα πυροδοτούν τη διαδικασία ταχείας δέσμευσης νετρονίων (ή εν συντομία r-process). Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ένας ατομικός πυρήνας απορροφά νετρόνια σε ταχεία διαδοχή. Καθώς ο πυρήνας γίνεται βαρύτερος και πιο ασταθής, τελικά διασπάται σε ελαφρύτερες και πιο σταθερές μορφές.
Πειραματικές προκλήσεις και θεωρητικά μοντέλα
Κατά μήκος αυτής της διαδρομής στον χάρτη των νουκλεοτιδίων, μια κοινή αλληλουχία περιλαμβάνει τη διάσπαση βήτα του μητρικού πυρήνα, η οποία ακολουθείται από την απελευθέρωση δύο νετρονίων.
Οι ατομικοί πυρήνες που συμμετέχουν σε αυτές τις αντιδράσεις είναι εξαιρετικά σπάνιοι και ασταθείς, καθιστώντας την άμεση πειραματική μελέτη τους δύσκολη ή και αδύνατη. Εξαιτίας αυτού, οι επιστήμονες βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε θεωρητικά μοντέλα, τα οποία πρέπει να ελέγχονται και να βελτιώνονται με τη χρήση εργαστηριακών δεδομένων.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Τενεσί (UT), σε συνεργασία με διεθνή ιδρύματα, μελέτησαν σπάνιους πυρήνες χρησιμοποιώντας την εγκατάσταση ISOLDE του CERN. Η ομάδα, που περιλαμβάνει τους P. Dyszel, J. Gouge, R. Grzywacz, M. Madurga, M. Piersa-Silkowska και Z. Xu, ανέλυσε δεδομένα για να διερευνήσει τη διαδικασία. Μάθετε περισσότερα για την εγκατάσταση ISOLDE του CERN.
Μελέτη Σπάνιων Πυρήνων με την Εγκατάσταση ISOLDE του CERN
Για να διερευνήσουν τη διαδικασία πιο προσεκτικά, ερευνητές του UT συνεργάστηκαν με επιστήμονες από διάφορα ιδρύματα. Η ομάδα περιλάμβανε τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του UT, Peter Dyszel και Jacob Gouge, τον καθηγητή Robert Grzywacz, τον αναπληρωτή καθηγητή Miguel Madurga και την ερευνητική συνεργάτιδα Monika Piersa-Silkowska.
Το έργο τους βασίστηκε επίσης σε μεθόδους ανάλυσης δεδομένων που αναπτύχθηκαν από τον επίκουρο καθηγητή έρευνας Zhengyu Xu. Οι ερευνητές ξεκίνησαν με μεγάλες ποσότητες του σπάνιου ισοτόπου ινδίου-134. «Αυτοί οι πυρήνες είναι δύσκολο να παρασκευαστούν και απαιτούν πολλή νέα τεχνολογία για να συντεθούν σε επαρκείς ποσότητες», εξήγησε ο Grzywacz.
Η ομάδα πραγματοποίησε τα πειράματα στον σταθμό διάσπασης ISOLDE του CERN, ο οποίος παρήγαγε άφθονους πυρήνες ινδίου-134 και χρησιμοποίησε προηγμένες τεχνικές διαχωρισμού με λέιζερ για να διασφαλίσει την καθαρότητά τους. Όταν το ίνδιο-134 υφίσταται διάσπαση, παράγει διεγερμένες μορφές κασσιτέρου-134, κασσιτέρου-133 και κασσιτέρου-132.
Χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή νετρονίων που χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα Major Research Instrumentation του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών (NSF) και κατασκευάστηκε στο UT, οι επιστήμονες κατέληξαν σε τρία κύρια ευρήματα. Το σημαντικότερο αποτέλεσμα ήταν η πρώτη μέτρηση των ενεργειών των νετρονίων που σχετίζονται με την εκπομπή δύο νετρονίων μετά από διάσπαση βήτα (beta-delayed two-neutron emission).
«Η εκπομπή δύο νετρονίων είναι το πιο σημαντικό ζήτημα», δήλωσε ο Grzywacz. Η εκπομπή δύο νετρονίων μετά από διάσπαση βήτα συμβαίνει μόνο σε εξωτικούς πυρήνες, οι οποίοι είναι ασταθείς και υπάρχουν μόνο για ελάχιστο χρόνο.
Η ενέργεια που απαιτείται για τον διαχωρισμό δύο νετρονίων από τον πυρήνα είναι εξαιρετικά μικρή, αλλά σε αυτό το πείραμα ήταν αρκετά μεγάλη ώστε να μετρηθεί. «Ο λόγος που αυτό είναι δύσκολο είναι επειδή τα νετρόνια αρέσκονται να αναπηδούν δεξιά και αριστερά. Είναι δύσκολο να καταλάβεις αν πρόκειται για ένα ή για δύο», εξήγησε ο Grzywacz. Σε προηγούμενες προσπάθειες, «κανείς δεν μέτρησε ενέργειες», οπότε αυτή η προσέγγιση «ανοίγει ένα εντελώς νέο πεδίο».
Αυτή η έρευνα σηματοδοτεί την πρώτη λεπτομερή μελέτη της εκπομπής δύο νετρονίων από έναν πυρήνα που βρίσκεται κατά μήκος της διαδρομής της διαδικασίας r (r-process).
Τα αποτελέσματα παρέχουν πολύτιμη γνώση για τη βελτίωση των μοντέλων που περιγράφουν πώς τα αστρικά γεγονότα δημιουργούν βαρέα στοιχεία όπως ο χρυσός.
Μια επί μακρόν αναζητούμενη κατάσταση νετρονίων στον κασσίτερο
Η δεύτερη σημαντική ανακάλυψη της ομάδας ήταν η πρώτη παρατήρηση μιας μακροχρόνια προβλεπόμενης μονοσωματιδιακής κατάστασης νετρονίων στον κασσίτερο-133.
Σύμφωνα με τον Grzywacz, ο πυρήνας ξεκινά σε μια διεγερμένη κατάσταση και πρέπει να απελευθερώσει ενέργεια για να σταθεροποιηθεί. «Ο κασσίτερος βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση. Πρέπει να “κρυώσει”. Μπορεί να εκπέμψει ένα νετρόνιο ή, με αρκετή ενέργεια, μπορεί να εκπέμψει δύο. Θα έπρεπε πάντα να εκπέμπει δύο νετρόνια, αλλά δεν το κάνει».
Παραδοσιακά, οι επιστήμονες πίστευαν ότι ο πυρήνας του κασσιτέρου απλώς απελευθέρωνε νετρόνια για να «κρυώσει», χάνοντας ουσιαστικά κάθε ίχνος του προηγούμενου γεγονότος της διάσπασης βήτα. Σε αυτό το σενάριο, ο πυρήνας συμπεριφέρεται ως ένας «πυρήνας με αμνησία», χωρίς μνήμη του πώς σχηματίστηκε. «Εμείς λέμε ότι ο κασσίτερος δεν ξεχνά», δήλωσε ο Grzywacz. «Αυτή η “σκιά” του ινδίου δεν εξαφανίζεται εντελώς. Η μνήμη δεν διαγράφεται».
Προηγμένοι ανιχνευτές νετρονίων επέτρεψαν στους ερευνητές να εντοπίσουν αυτή την ασύλληπτη πυρηνική κατάσταση. Η παρατήρηση υποδηλώνει ότι οι τρέχουσες θεωρητικές εξηγήσεις είναι ελλιπείς και ότι οι επιστήμονες χρειάζονται ένα πιο εξελιγμένο πλαίσιο για να εξηγήσουν γιατί ορισμένες διασπάσεις απελευθερώνουν ένα νετρόνιο ενώ άλλες δύο. «Οι άνθρωποι την έψαχναν για 20 χρόνια και εμείς τη βρήκαμε», δήλωσε ο Grzywacz. «Αυτά τα δύο νετρόνια μας επέτρεψαν να δούμε αυτή την κατάσταση».
Σημείωσε ότι η νεοπαρατηρηθείσα κατάσταση αντιπροσωπεύει ένα ενδιάμεσο στάδιο στην αλληλουχία εκπομπής δύο νετρονίων. Αντιπροσωπεύει επίσης την τελική στοιχειώδη διέγερση του πυρήνα του κασσιτέρου-133, βοηθώντας στην ολοκλήρωση της εικόνας της πυρηνικής δομής και βελτιώνοντας την ακρίβεια των θεωρητικών υπολογισμών.
Μια τρίτη ανακάλυψη αμφισβητεί τα υπάρχοντα μοντέλα
Η μελέτη αποκάλυψε επίσης ένα τρίτο σημαντικό αποτέλεσμα. Οι ερευνητές παρατήρησαν έναν μη στατιστικό πληθυσμό αυτής της πρόσφατα ταυτοποιημένης κατάστασης. Με απλά λόγια, ο τρόπος με τον οποίο «κατοικείται» η κατάσταση κατά τη διάρκεια της διάσπασης δεν ακολουθεί τα πρότυπα που συνήθως αναμένουν οι επιστήμονες.
Ο Grzywacz εξήγησε ότι το περιβάλλον αποσύνθεσης σε αυτό το πείραμα είναι σχετικά «καθαρό». Οι πυρηνικές καταστάσεις είναι διαχωρισμένες και όχι συνωστισμένες . «Δεν φτιάχνεις φασολάδα», είπε. «Παρόλα αυτά, στις περισσότερες περιπτώσεις συμπεριφέρεται σαν φασολάδα. Κατά κάποιο τρόπο αυτός ο στατιστικός μηχανισμός ενεργοποιείται. Γιατί είναι στατιστικός, παρόλο που δεν θα έπρεπε, και γιατί στη δική μας περίπτωση δεν είναι;»
Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι, καθώς οι επιστήμονες εξερευνούν περιοχές του πυρηνικού τοπίου που απέχουν πολύ από τη σταθερότητα, ιδιαίτερα μεταξύ εξωτικών πυρήνων όπως το Τενεσίνιο (Tennessine), τα υπάρχοντα μοντέλα ενδέχεται να μην ισχύουν πλέον. Νέες θεωρητικές προσεγγίσεις θα απαιτηθούν πιθανώς για την περιγραφή αυτών των ακραίων συστημάτων.
Η περιέργεια που οδηγεί σε νέες ανακαλύψεις
Η αναζήτηση βελτιωμένων μοντέλων για την πυρηνική δομή και τον σχηματισμό των στοιχείων προσφέρει σημαντικές ευκαιρίες σε επιστήμονες που βρίσκονται στα πρώτα στάδια της καριέρας τους, όπως ο Dyszel. Ο ίδιος εντάχθηκε στην ερευνητική ομάδα του Grzywacz το 2022 και ήταν ο κύριος συγγραφέας του άρθρου στο περιοδικό Physical Review Letters που περιγράφει τις ανακαλύψεις.
Οι αρμοδιότητές του κατά τη διάρκεια του πειράματος ήταν εκτενείς. Ο Dyszel κατασκεύασε τα πλαίσια για τους ανιχνευτές τροχιάς νετρονίων και τους συναρμολόγησε εντός της πειραματικής συσκευής. Εγκατέστησε ηλεκτρονικά συστήματα, κατασκεύασε ανιχνευτές σωματιδίων βήτα, πραγματοποίησε δοκιμαστικές μετρήσεις, βοήθησε στην ανάπτυξη λογισμικού συλλογής δεδομένων, ρύθμισε τα συστήματα χρονισμού και ανέλυσε τα δεδομένα που προέκυψαν.
Παρά τον ευρύ του ρόλο, το έργο παρέμεινε μια συλλογική προσπάθεια με τη συμμετοχή πολλών ερευνητών. «Η επιτυχία αυτής της εργασίας οφείλεται εν μέρει στους συναδέλφους και τους συνεργάτες μου, των οποίων η καθοδήγηση και η εποικοδομητική συμβολή ήταν καθοριστικές», δήλωσε ο ίδιος.
Με καταγωγή από το Τζάκσονβιλ της Φλόριντα, ο Dyszel εντάχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Τενεσί (UT) αφού απέκτησε πτυχίο φυσικής από το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Φλόριντα.
Το ενδιαφέρον του για την πυρηνική επιστήμη ξεκίνησε νωρίτερα, κατά τη διάρκεια ενός μαθήματος γενικής χημείας, όταν έμαθε για πρώτη φορά για τη διάσπαση βήτα. Η ιδέα ότι οι πυρηνικοί μετασχηματισμοί θα μπορούσαν να δημιουργήσουν εντελώς νέα στοιχεία με διαφορετικές ιδιότητες του τράβηξε την προσοχή, οδηγώντας τον αρχικά να εξετάσει το ενδεχόμενο ενός πτυχίου στη χημεία.
«Μόνο όταν ξεκίνησα το προπτυχιακό μου πάτησα το πόδι μου σε μάθημα φυσικής, γεγονός που με ώθησε ακαριαία προς ένα πτυχίο στη φυσική», εξήγησε. «Πάντα με ενδιέφερε να κατανοήσω πώς λειτουργεί ο κόσμος, και η φυσική ήταν, και συνεχίζει να είναι, το μονοπάτι που θέλω να ακολουθήσω για να ικανοποιήσω αυτή την περιέργεια».