Церій — рідкоземельний метал, який має численні технологічні застосування, наприклад, у деяких типах лампочок і телевізорах із плоским екраном. Хоча цей елемент рідко зустрічається в земній корі, він трохи більш поширений у Всесвіті. Однак багато невідомо про те, як він синтезується в зірках.
Тепер у новому дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters, колаборація n_TOF у CERN досліджує, як у зірках утворюється церій. Результати відрізняються від того, що очікувалося від теорії, що вказує на необхідність перегляду механізмів, які, як вважають, відповідають за виробництво церію та інших важких елементів у Всесвіті.
«Вимірювання, яке ми провели, дозволило нам ідентифікувати ядерні резонанси, які ніколи раніше не спостерігалися в діапазоні енергії, який бере участь у виробництві церію в зірках», — пояснює Сімон Амадуччі з Південної національної лабораторії INFN і перший автор дослідження. «Це завдяки дуже високій енергетичній роздільній здатності експериментального апарату в CERN і наявності дуже чистого зразка церію 140».
Велику кількість елементів, важчих за залізо, які спостерігаються в зірках (таких як олово, срібло, золото та свинець), можна відтворити математично, припустивши існування двох процесів захоплення нейтронів: повільного (s) процесу та швидкого (r) процесу.
S-процес відповідає потоку нейтронів 10 мільйонів нейтронів на кубічний сантиметр, тоді як r-процес має потік понад один мільйон мільярдів нейтронів на кубічний сантиметр. Вважається, що процес s створює приблизно половину елементів, важчих за залізо у Всесвіті, включаючи церій.
Об’єкт CERN’s Neutron Time-of-Flight facility (n_TOF) призначений для вивчення взаємодій нейтронів, таких як ті, що відбуваються в зірках. У цьому дослідженні вчені використовували установку для вимірювання ядерної реакції ізотопу 140 церію з нейтроном для отримання ізотопу 141.
Відповідно до складних теоретичних моделей, саме ця реакція відіграє вирішальну роль у синтезі важких елементів у зірках. Зокрема, вчені розглянули поперечний переріз реакції : фізичну величину, яка виражає ймовірність того, що реакція відбудеться. Вчені виміряли поперечний переріз у широкому діапазоні енергій з точністю, що на 5% перевищує попередні вимірювання.
Результати відкривають нові питання про хімічний склад Всесвіту. «Спочатку нас заінтригувала невідповідність між теоретичними моделями зірок і даними спостережень церію в зірках кульового скупчення M22 у сузір’ї Стрільця», — пояснює Серджіо Крісталло з астрономічної обсерваторії INAF Абруццо, який запропонував експеримент.
«Нові ядерні дані суттєво відрізняються, до 40%, від даних, наявних у ядерних базах даних, які зараз використовуються, безумовно, за межами оціненої невизначеності».
Ці результати мають помітні астрофізичні наслідки, припускаючи 20% зниження внеску s-процесу в надлишок церію у Всесвіті. Це означає, що необхідна зміна парадигми в теорії нуклеосинтезу церію : інші фізичні процеси, які наразі не включені, повинні враховуватися в розрахунках еволюції зірок. Крім того, нові дані мають значний вплив на розуміння вченими хімічної еволюції галактик, яка також впливає на виробництво важчих елементів у Всесвіті.