Когда наша вселенная родилась, в ней вообще не было тяжелых элементов. Эти элементы образовались в течение времени внутри звезд или даже возникали в результате взрыва звезд, когда они превращались в сверхновые. Но вот только что именно при этом происходит, исследовать, находясь на Земле, чрезвычайно сложно. Но прогресс наблюдается и здесь: одной из групп ученых удалось значительно продвинуться и в этом направлении.
Впервые кольцо для накопления ионов было использовано для изучения синтеза водорода и ксенона при температурах, возникающих при звездных взрывах. © Mario Weigand, Goethe-Universitä
При взрывах звезд или на поверхности нейтронных звезд тяжелые элементы образуются в результате захвата ядер водорода (протонов). Это происходит при чрезвычайно высоких температурах, но, в то же время, при относительно низких энергиях. Международная исследовательская группа, координируемая Университетом Гете (Германия), в настоящее время преуспела в исследовании захвата протонов на экспериментальном кольцевом накопителе Центра исследований тяжелых ионов (GSI) им. Гельмгольца.
Как сообщают исследователи в своем отчете, они хотели максимально точно определить вероятность захвата протона в астрофизических сценариях. Они столкнулись с двумя проблемами, объясняет Ян Глориус из Исследовательского отдела GSI по атомной физике: «Реакции, скорее всего, в астрофизических условиях происходят в интервале энергий, который ученые обозначают, как окно Гамова. В этом интервале атомные ядра довольно медленные и, следовательно, их трудно получить в необходимой интенсивности. Кроме того, сечение эффективности, то есть вероятность захвата протона, очень сильно уменьшается вместе с энергией. Поэтому до сих пор практически не удавалось создать подходящие соотношения для таких реакций в лабораторных условиях».
И это при том, что решение было предложено еще десять лет назад Рене Рейфартом, профессором экспериментальной астрофизики в университете Гете: Низкие энергии в диапазоне окна Гамова можно более точно отрегулировать, если обеспечить вращение тяжелых реагентов в ускорителе, где они сталкиваются с находящимся в состоянии покоя протонным газом. Своих первых успехов он добился в сентябре 2015 года с группой молодых исследователей Центра Гельмгольца. Впоследствии его группа получила отличное подкрепление от профессора Юрия Литвинова, который возглавляет финансируемый Европейским Союзом исследовательский проект ASTRUm в GSI.
В ходе эксперимента обе исследовательские группы сначала произвели ионы ксенона. В экспериментальном накопительном кольце (ЭНК) эти ионы замедлялись и приводились во взаимодействие с протонами. Это привело к реакциям, в которых ядра ксенона захватили протон и превратились в более тяжелый цезий - процесс, который также происходит и в астрофизических сценариях. «Этот эксперимент играет решающую роль в продвижении нашего понимания нуклеосинтеза в космосе», - не скрывает радости Рейфарт. - «Благодаря мощной системе ускорителя GSI мы смогли усовершенствовать экспериментальную технологию для торможения тяжелого ударного партнера. И теперь мы более точно знаем, в каком диапазоне находятся предсказанные ранее только теоретически скорости реакций. В будущем же мы сможем смоделировать формирование элементов во вселенной с еще большей точностью».
Проведенные эксперименты проводились в рамках исследовательского сотрудничества SPARC (Научно-исследовательское сотрудничество по атомной физике накопленных частиц), части исследовательской программы FAIR. Также эти исследования позволили усовершенствовать теоретическую базу, а также различные приборы и аппаратуру, которые будут использоваться астрофизиками и в дальнейшем.
0
