Dôkežitý vedecké zistenie: Pomalé ióny a tvorba prvkov vo Veľkom tresku

Medzinárodný výskumný tím dosiahol významný míľnik v astrofyzike: v úložnom prstenci zariadenia CRYRING@ESR v Darmstadte boli po prvýkrát namerané jadrové reakcie na takých energetických úrovniach, ako sú tie, ktoré sa nachádzajú vo vnútri hviezd.

Výskumníci preto dúfajú, že v budúcnosti budú môcť skúmať tvorbu prvkov vo vesmíre s ešte väčšou experimentálnou presnosťou.

V extrémnych prostrediach nachádzajúcich sa vo vnútri hviezd sa jadrové procesy často vyskytujú pri veľmi nízkych energiách. Tieto takzvané „sub-MeV energie“ (pod jeden megaelektrónvolt) sa v laboratóriu ťažko reprodukujú, pretože pravdepodobnosť, že atómové jadrá reagujú navzájom pri takýchto nízkych rýchlostiach, je extrémne nízka. V úložnom prstenci GSI/FAIR CRYRING@ESR v Darmstadte sa výskumníkom podarilo znížiť energiu dostupnú pre jadrovú reakciu – meranú v ťažiskovej sústave dvoch častíc – na iba 403 kiloelektrónvoltov.

Toto predstavuje nový rekord: je to najnižšia energia, pri ktorej bola kedy nameraná jadrová reakcia v zásobníku ťažkých iónov.

„Najväčšou výzvou pri realizácii jadrových reakcií pri takých nízkych energiách v zásobníkoch ťažkých iónov je veľmi krátka životnosť lúča,“ vysvetľuje Jordan Marsh z Univerzity v Edinburghu.

„Pri nižších energiách sa ióny strácajú podstatne častejšie v dôsledku atómových procesov – ako je napríklad odlupovanie elektrónov – čo znamená, že pre reakcie, ktoré chceme študovať, zostáva k dispozícii menej častíc. Prekonanie tejto výzvy si vyžaduje extrémne vysoké vákuové podmienky aj odborné znalosti operátorov lúčov schopných generovať presne zaostrené, elektrónmi chladené iónové lúče.“

V rámci svojho experimentu medzinárodný tím skúmal okrem iného reakcie dusíkových iónov zrážajúcich sa s protónmi.

Na tento účel bol do CRYRING@ESR vstreknutý iónový lúč, ktorý bol privedený na požadovanú energiu a s extrémnou presnosťou zarovnaný pomocou elektrónového chladiča. Lúč potom prešiel cez kryogénny vodíkový terč v prstenci.

Na detekciu reakčných produktov generovaných v tomto procese bol použitý systém CARME (CRYRING Array for Reaction Measurements) s vysokým rozlíšením. Zozbierané údaje veľmi dobre súhlasia s teoretickými predpoveďami a ukazujú, že experimentálna metóda funguje výnimočne dobre. Tento úspech v rámci výskumného programu FAIR fázy 0 otvára dvere množstvu budúcich experimentov.

V budúcnosti sa v CRYRING@ESR budú používať aj exotické atómové jadrá, ktoré hrajú ústrednú úlohu v hviezdach.

Keďže CRYRING@ESR má vlastný zdroj iónov, ďalšie experimenty sa tam uskutočnia neskôr v tomto roku. Kombinácia vysoko presných pamäťových kruhov a najmodernejšej detektorovej technológie pomôže rozlúštiť nevyriešené záhady jadrovej astrofyziky. „Obzvlášť ma tešia výskumné príležitosti týkajúce sa nukleosyntézy Veľkého tresku, procesu, ktorým boli ľahké prvky vytvorené v prvých minútach po Veľkom tresku,“ hovorí Marsh.

 „V CRYRING@ESR plánujeme študovať jadrové reakcie s deutériom, kľúčovým izotopom v nukleosyntéze Veľkého tresku, čo nám umožní lepšie pochopiť podmienky v ranom vesmíre.“

Nové výsledky boli nedávno obšírne publikované v časopise The European Physical Journal A.