Великі атоми потребують великої енергії для побудови. Нова модель квантових взаємодій тепер припускає, що деякі з найлегших частинок у Всесвіті можуть відігравати вирішальну роль у формуванні принаймні деяких важких елементів.
Фізики зі США показали, як субатомні “примарні” частинки, відомі як нейтрино, можуть змусити атомні ядра стати новими елементами.
Це не лише зовсім інший метод створення елементів, важчих за залізо, але й давній гіпотетичний “проміжний” шлях, який знаходиться на межі між двома відомими процесами – ядерним синтезом і нуклеосинтезом.
Для більшості елементів, більших за водень, теплих обіймів великої яскравої зірки достатньо, щоб протони і нейтрони подолали свою сильну потребу розштовхуватися на відстань, достатню для інших короткодіючих взаємодій. Ці термоядерні обійми вивільняють додаткову енергію, допомагаючи ядрам зірок залишатися ще теплими.
Коли атоми виростають до розміру близько 55 нуклонів – маси ядра заліза – додавання додаткових протонів вимагає більше енергії, ніж може відшкодувати процес синтезу.
Ця зміна в термоядерній економіці означає, що важковаговики періодичної таблиці можуть утворитися лише тоді, коли додаткові нейтрони прилипають до застиглої маси ядерних частинок достатньо довго, щоб одна з них розпалася і вирвала електрон і нейтрино, перетворивши його на додатковий протон, необхідний для того, щоб стати новим елементом.
Нейтрони перетворюються на протони під час розпаду, випромінюючи електрон (e-) і нейтрино. (Inductiveload/Wikimedia commons/PD)
Зазвичай цей процес є болісно повільним і триває десятиліттями або навіть століттями, коли ядра великих зірок штовхаються, часто отримуючи і втрачаючи нейтрони, і лише деякі з них у критичний момент переходять у протонний стан.
За умови достатнього удару це зростання може бути напрочуд швидким – за лічені хвилини в гарячому безладі зірок, що колапсують і зіштовхуються.
Але деякі фізики-теоретики задаються питанням, чи існують інші шляхи, проміжні між повільним або “s” процесом і швидким або “r” процесом.
“Звідки утворюються хімічні елементи, не зрозуміло, і ми не знаємо всіх можливих способів їх утворення”, – говорить провідний автор дослідження, фізик з Університету Вісконсіна в Медісоні Баха Балантекін.
“Ми вважаємо, що деякі з них утворюються під час вибухів наднових або злиття нейтронних зірок, і багато з цих об’єктів керуються законами квантової механіки, тож можна використовувати зірки для вивчення аспектів квантової механіки”.
Рішення може бути знайдене у квантовій природі потоків нейтрино – найпоширеніших частинок з масою у Всесвіті – які виливаються у космічне середовище.
Хоча вони практично безмасові і не мають жодних способів повідомити про свою присутність, їхня величезна кількість означає, що випромінювання і періодичне поглинання цих ефемерних “частинок-привидів” все ще впливають на бюджети протонів і нейтронів, що гудуть у глибинах масивних зірок і катастрофічних космічних явищ.
Однією з химерних примх нейтрино є його звичка коливатися в межах квантової нечіткості, перемикаючись між кількома ароматами ідентичності, коли воно пролітає через порожній простір.
Змоделювати величезну кількість нейтрино, які перевертають і змінюють смаки в хаотичному нуклонному супі, легше сказати, ніж зробити, тому фізики часто розглядають їх як єдину систему, де властивості окремих частинок розглядаються як одна велика, заплутана суперчастинка.
Балантєкін і його колеги з Університету Джорджа Вашингтона та Каліфорнійського університету в Берклі використали цей самий підхід, щоб краще зрозуміти, як вітри нейтрино, випромінювані новонародженою нейтронною зіркою, що вдаряються в навколишнє середовище, можуть слугувати проміжним процесом нуклеосинтезу.
Визначивши, наскільки квантова ідентичність окремих нейтрино залежить від ступеня цього заплутаного стану, команда виявила, що значна кількість нових елементів може бути згенерована цим примарним штормом.
“Ця робота показує, що якщо нейтрино заплутані, то відбувається посилений новий процес виробництва елементів, i-процес”, – говорить Балантєкін.
Хоча в теорії цифри сходяться, перевірка цієї ідеї – зовсім інша справа.
Вивчення взаємодії “примарних” нейтрино на Землі все ще перебуває в зародковому стані, що змушує дослідників вдивлятися в далечінь космосу в пошуках доказів нових способів об’єднання найбільших елементів.