Ένας διαφορετικός τρόπος σχηματισμού του στοιχείου του άνθρακα στο Σύμπαν

Posted on 20/03/2020

0


Ένα νέο πείραμα στον επιταχυντή του πανεπιστημίου του Οχάϊο και ένα παλαιότερο «παρόμοιο» πείραμα στον επιταχυντή ΤΑNDEM του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος
Ο άνθρακας (12C), το θεμελιώδες στοιχείο της οργανικής ζωής είτε πρόκειται για τους ανθρώπους είτε για τους κορωνοϊούς, γνωρίζουμε πως σχηματίζεται στο εσωτερικό των άστρων. Πρώτοι οι αστροφυσικοί Edwin Salpeter και Ernst Öpik, το 1952 υπέθεσαν πως ο 12C σχηματίζεται διαμέσου μιας διαδικασίας δυο βημάτων. Στο πρώτο βήμα, δυο σωμάτια α (πυρήνες ηλίου – 4Ηe) ενώνονται σχηματίζοντας τον πυρήνα βηρύλλιο-8 (8Be)στην θεμελιώδη κατάστασή του

^{4}_{2}He +\, ^{4}_{2}He \rightarrow \, ^{8}_{4}Be + \gamma

Η θεμελιώδης κατάσταση του 8Be είναι ασταθής, έχει χρόνο ζωής 10–16 δευτερόλεπτα και διασπάται πάλι σε δυο σωμάτια α. Ο Salpeter έδειξε ότι σχηματίζεται ένα μικρό, αλλά όχι αμελητέο κλάσμα πυρήνων 8Be, όταν οι αντιδράσεις σύνθεσης–διάσπασης έρθουν σε ισορροπία σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες και πυκνότητες. Σύμφωνα λοιπόν με τον Salpeter είναι δυνατόν κατά διαστήματα ένας τρίτος πυρήνας 4Ηe να συντηχθεί με έναν πυρήνα 8Be και να σχηματίσει 12C, σύμφωνα με την πυρηνική αντίδραση:

^{8}_{4}Be + \, ^{4}_{2}He \Rightarrow \, ^{12}_{6}C^{*}

Ο αστερίσκος δείχνει ότι ο πυρήνας του άνθρακα που σχηματίζεται βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση. Επειδή η διαδικασία των δυο βημάτων που μετασχηματίζει τρία σωμάτια άλφα σε έναν πυρήνα 12C, συνήθως αναφέρεται ως διαδικασία των τριών α: 34He → 12C

Η έμπνευση του Fred Hoyle

Όμως το 1954 ο Fred Hoyle – ένας από τους μεγαλύτερους αστροφυσικούς του εικοστού αιώνα – υποθέτοντας ότι η διαδικασία των τριών α είναι σωστή, έδειξε ότι ο ρυθμός της είναι απελπιστικά αργός στις θερμοκρασίες και πυκνότητες που χαρακτηρίζουν το εσωτερικό των άστρων, ώστε να δικαιολογηθεί η παρατηρούμενη ποσότητα του 12C στο Σύμπαν. Για να υπερπηδήσει αυτή τη δυσκολία, ο Hoyle υπέθεσε ότι ο σχηματισμός του άνθρακα γίνεται πολύ γρηγορότερα διαμέσου του δεύτερου βήματος 8Be(α,γ)12C, εξαιτίας του φαινομένου του συντονισμού.
Όταν μια πυρηνική αντίδραση σε κάποια ενέργεια των αντιδρώντων λέμε ότι εμφανίζει συντονισμό, αυτό σημαίνει ότι η πιθανότητα να πραγματοποιηθεί η αντίδραση στην συγκεκριμένη ενέργεια είναι πολύ αυξημένη. Σ΄αυτή την αντίδραση  «συντονισμού» ο πυρήνας του άνθρακα σχηματίζεται σε μια συγκεκριμένη διεγερμένη κατάσταση. Την εποχή που ο Hoyle πρότεινε τον μηχανισμό αυτό μια τέτοια διεγερμένη κατάσταση του πυρήνα του άνθρακα δεν ήταν γνωστή πειραματικά.
Ο ευφυής αστροφυσικός, το 1954, υπολόγισε την ενέργεια (7.65 MeV) και την στροφορμή (Jπ =0+) που θα έπρεπε να έχει η διεγερμένη κατάσταση του άνθρακα, έτσι ώστε να πραγματοποιείται το φαινόμενο του συντονισμού, που επιταχύνει την διαδικασία των τριών άλφα. Τρία χρόνια αργότερα, μια πειραματική ομάδα στο Caltech απέδειξε ότι o Hoyle είχε δίκιο.
Αυτό αποτελεί ένα από τα εντυπωσιακότερα παραδείγματα της θεωρητικής πρόβλεψης ιδιοτήτων ενός πυρήνα – βασιζόμενης καθαρά σε αστροφυσικό υπόβαθρο – που στη συνέχεια επιβεβαιώθηκε πλήρως από τα πειράματα …. (διαβάστε περισσότερα στην σχετική ανάρτηση «Πως δημιουργείται το στοιχείο του άνθρακα στο Σύμπαν» .

Ένα διαφορετικό σενάριο για τον σχηματισμό του άνθρακα

Όταν λοιπόν ένα άστρο (σαν τον ήλιο μας) έχει καταναλώσει το καύσιμο υδρογόνο, μετατρέποντάς το σε ήλιο, τότε η ταυτόχρονη αλληλεπίδραση τριών σωματίων α είναι δυνατή ενεργειακά, έτσι ώστε να σχηματιστεί εύκολα ένας πυρήνας άνθρακα-12, με την διαδικασία του συντονισμού Hoyle.

Κάποιοι πυρηνικοί φυσικοί θέλουν τώρα να εξετάσουν ένα διαφορετικό σενάριο σχηματισμού του 12C.

Υποψιάζονται πως και τα νετρόνια θα μπορούσαν να συμμετέχουν ενισχύοντας τον σχηματισμό του άνθρακα μέσω της διαδικασία σύντηξης των τριών σωματιδίων α. Το σενάριο αυτό θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί κατά την έκρηξη ενός σουπερνόβα ή κατά την συγχώνευση άστρων νετρονίων όπου η πυκνότητα της ύλης και η συγκέντρωση των νετρονίων είναι τεράστια.

Έτσι, σχεδίασαν ένα νέο πείραμα που ξεκίνησε στο εργαστήριο επιταχυντού στο πανεπιστήμιο του Οχάιο στις 10 Μαρτίου. Εκεί δημιουργείται δέσμη νετρονίων η οποία βομβαρδίζει στόχο (αερίου διοξειδίου του) άνθρακα. Σκοπός του πειράματος είναι να μετρηθεί η ενεργός διατομή της πυρηνικής αντίδρασης (ας πούμε η πιθανότητα να πραγματοποιηθεί η αντίδραση)

n+12C→4He+4He+4He+n’

όπου παράγονται τρείς πυρήνες ηλίου (σωματίδια α) και ένα νετρόνιο που έχει μικρότερη ενέργεια από το νετρόνιο των αντιδρώντων. Πρόκειται για την αντίστροφη διαδικασία της αντίδρασης των τριών (σωματιδίων) α που είχε προτείνει ο Fred Hoyle για τον σχηματισμό της διεγερμένης κατάστασης του άνθρακα 12C.

Στο εργαστήριο του Οχάιο τα νετρόνια που προσπίπτουν στον άνθρακα-στόχο, διεγείρουν τους πυρήνες 12C στην κατάσταση Hoyle και στη συνέχεια ο διεγερμένος πυρήνας διασπάται σε τρία σωμάτια α, συν ένα νετρόνιο που πλέον έχει μικρότερη κινητική ενέργεια.

Αριστερά η πυρηνική αντίδραση που πραγματοποιείται στο εργαστήριο. Υψηλής ενέργειας νετρόνιο προσπίπτει σε άνθρακα-12 παράγοντας τρία σωμάτια α και ένα νετρόνιο χαμηλής ενέργειας. Δεξιά η αντίστροφη διαδικασία: τρία σωμάτια α και ένα χαμηλής ενέργειας νετρόνιο συγχωνεύονται σχηματίζοντας άνθρακα-12 και ένα νετρόνιο υψηλής ενέργειας.

Η μέτρηση της ενεργού διατομής της n+12C→3 4He+n’ μπορεί να μας δώσει πληροφορίες για την ενεργό διατομή της αντίστροφης αντίδρασης, των τριών σωματιδίων α με ένα νετρόνιο που μας ενδιαφέρει, αφού αυτή είναι αδύνατον να πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο.

Είναι γεγονός ότι και οι μετρήσεις της αντίδρασης n+12C→3 4He+n’ δεν είναι εύκολες. Ο  Hans Fynbo από το Πανεπιστήμιο Aarhus στη Δανία, επισημαίνει ότι η καινοτομία του πειράματος είναι ότι ο ανιχνευτής των σωματιδίων α είναι ταυτόχρονα και στόχος, κάτι το οποίο αποτελεί σχετικά μια νέα αντίληψη στην πειραματική φυσική.

Όταν ο ανιχνευτής παίζει και τον ρόλο του στόχου

Τίθεται βέβαια το ερώτημα, πόσο νέα αντίληψη είναι η ταύτιση ανιχνευτή-στόχου σε ένα πείραμα πυρηνικής φυσικής; Όχι και τόσο, όταν αυτή εφαρμόστηκε, για παράδειγμα, πριν από 30 χρόνια στον επιταχυντή TANDEM του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής στον ερευνητικό κέντρο «Δημόκριτος»;

Εκεί, ένας από τους σημαντικότερους Έλληνες πυρηνικούς φυσικούς ο Θεμιστοκλής Παραδέλλης και οι συνεργάτες του, χρησιμοποίησαν έναν ανιχνευτή αερίου τριφθοριούχου βορίου για να πραγματοποιήσουν την αντίδραση

n + 11B  → 8Li + 4He,

όπου το αέριο ΒF3 του ανιχνευτή έπαιζε και τον ρόλο του στόχου.
Συμπτωματικά, και στο πείραμα του Δημόκριτου, το ζητούμενο ήταν μέσα από τις μετρήσεις της παραπάνω αντίδρασης, να εκτιμηθεί η ενεργός διατομή της αντίστροφης αντίδρασης 8Li + 4He → n + 11B (η οποία μπορεί δύσκολα να πραγματοποιηθεί δεδομένου ότι το 8Li έχει χρόνο ζωής μικρότερη από ένα δευτερόλεπτο).

Στην φωτογραφία φαίνονται, δεξιά ο Θέμης Παραδέλλης και στο μέσον ο συνεργάτης του Στάθης Κοσσιονίδης. Το άρθρο της Καθημερινής αναφέρεται στην έρευνα που δημοσιεύθηκε με τίτλο «Astrophysical S(E) factor of 8Li (α,n0)11B and inhomogeneous Big Bang nucleosynthesis». Mία δημοσίευση των N. Boyd, T. Paradellis και C. Rolfs που αναλύει συνολικά τα σχετικά πειράματα που έγιναν τότε στον Δημόκριτο, βρίσκεται ΕΔΩ

πηγή: https://www.scientificamerican.com/article/carbon-conundrum-experiment-aims-to-re-create-synthesis-of-key-element/?utm_medium=social&utm_content=organic&utm_source=twitter&utm_campaign=SciAm_&sf231668901=1