Złoto, platyna i inne ciężkie pierwiastki powstają w najbardziej ekstremalnych wydarzeniach we Wszechświecie: w zapadaniu masywnych gwiazd, wybuchach supernowych czy w kolizjach gwiazd neutronowych. Kluczowym mechanizmem jest tzw. proces szybkiego wychwytu neutronów (proces r), podczas którego atomy “połykają” kolejne neutrony tak szybko, że stają się skrajnie bogate w neutrony i bardzo niestabilne. Później gwałtownie się rozpadają, wyrzucając neutrony i zmieniając się w bardziej stabilne jądra.
Problem w tym, że tych ekstremalnych, krótkotrwałych jąder praktycznie nie da się “wyprodukować” ani zmierzyć w laboratorium. Z tego powodu naukowcy od lat opierali się na modelach teoretycznych, a same procesy rpozostawały w znacznej mierze zagadką. Nowa praca badaczy z University of Tennessee (UT), opublikowana w Physical Review Letters, przynosi trzy przełomowe wyniki, które tę zagadkę zaczynają rozwiązywać.
Nowy rozdział badań procesu r
Zespół skupił się na niezwykle rzadkim izotopie indu (In-134), produkowanym w instalacji ISOLDE na CERN-ie. Jądro to rozpada się w bardzo specyficzny sposób: najpierw zachodzi rozpad beta, a potem jądro emituje dwa neutrony naraz. Tego typu sekwencja jest jednym z kluczowych kroków procesu r. Choć teoretycy przewidywali jej istnienie, dotychczas nie udało się zmierzyć energii emitowanych dwóch neutronów. To zadanie uchodziło za niewykonalne. Neutrony nie mają ładunku, “odbijają się” od detektorów i bardzo trudno ustalić, czy pojawiła się jedna czy dwie cząstki.
Czytaj też: Fizyka na krawędzi załamania. Naukowcy odkryli, że fotony wcale nie przechodzą przez siebie bez śladu
W nowym eksperymencie UT – z użyciem zaawansowanego detektora zbudowanego na potrzeby projektu – dokonano pierwszego w historii pomiaru energii neutronów pochodzących z dwuneutronowej emisji. To otwiera całkowicie nową dziedzinę badań nad egzotycznymi rozpadami. Prof. Robert Grzywacz, współautor pracy, mówi wprost: “to jest największa rzecz w całym badaniu”, a wcześniejsze próby pomiaru energii zawsze kończyły się niepowodzeniem.
Drugi przełom dotyczył tego, co dzieje się po rozpadzie indu-134. Powstające jądra cyny – głównie Sn-133 – zachowują się w sposób, którego klasyczne modele nie przewidywały. Według dotychczasowej teorii, jądro rozgrzane po rozpadzie beta powinno “gotować się” i wyrzucać neutrony w sposób czysto statystyczny. Mówiąc krótko: “cyna powinna zapomnieć”, skąd pochodzi.
Ale eksperyment pokazał coś innego.
Naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali poszukiwany od dwóch dekad stan pojedynczego neutrona w Sn-133, będący przejściowym etapem przed emisją dwóch neutronów. To oznacza, że jądro “pamięta”, jakie stany zostały “odziedziczone” po rozpadzie indu-134. To zaś oznacza, że rozpady egzotycznych jąder nie są jedynie chaotycznym wyrzucaniem neutronów, ale mogą zachowywać subtelne ślady kwantowej historii poprzedniego jądra.
Najbardziej zdumiewające jest to, że populacja nowo odkrytego stanu w Sn-133 nie jest – jak przewidywano – losowa i statystyczna. Zamiast tego wykazuje nietypową, niestatystyczną strukturę. Z teoretycznego punktu widzenia to dziwne. Proces powinien przypominać “zupę grochową”: wiele stanów energetycznych miesza się, nakłada, nie da się ich od siebie odróżnić.
Wyniki eksperymentu jasno wskazują, że dotychczasowe opisy procesu r są zbyt uproszczone. Modele, które przez dekady stosowano do obliczeń kosmicznej nukleosyntezy, nie uwzględniały ani dwuneutronowej emisji o zmierzonej energii, ani stanu przejściowego Sn-133, ani niestatystycznego charakteru emisji. To wiedza bezpośrednio wpływająca na naszą interpretację składu chemicznego Wszechświata i historii jego ewolucji.