Запутанные нейтрино могут привести к образованию более тяжелых элементов
Картина численности, основанная на расчетах в этой статье (картина ν i-процесса; фиолетовая линия), по сравнению с данными о численности s-процесса Солнечной системы (серая линия) и r-процесса (черная линия) (Sneden et al. 2008). Численность ν i для A = 143 масштабируется по данным солнечного r-процесса для сравнения закономерностей. |Автор: Balantekin et al, The Astrophysical Journal
Заря́довое число́ атомного ядра (синонимы: а́томный но́мер, а́томное число́, поря́дковый но́мер химического элемента) — количество протонов в атомном ядре. Зарядовое число равно заряду ядра в единицах элементарного заряда и одновременно равно порядковому номеру соответствующего ядра химического элемента в таблице Менделеева. Обычно обозначается буквой Z.
Термин «атомный» или «порядковый» номер обычно используется в атомной физике и в химии, тогда как эквивалентный термин «зарядовое число» — в ядерной физике. В неионизированном атоме количество электронов в электронных оболочках совпадает с зарядовым числом. Википедия
«Неясно, где производятся химические элементы, и мы не знаем всех возможных способов их получения», — говорит Балантекин. «Мы считаем, что некоторые из них образуются в результате взрывов сверхновых или слияний нейтронных звезд, и многие из этих объектов подчиняются законам квантовой механики, поэтому вы можете использовать звезды для изучения аспектов квантовой механики».
Что уже известно
Сразу после Большого взрыва было много более легких элементов, таких как водород и гелий. Более тяжелые элементы, вплоть до железа (атомный номер 26), продолжали образовываться путем ядерного синтеза в центрах горячих звезд. Выше железа термоядерный синтез больше не является энергетически выгодным, и ядерный синтез происходит посредством захвата нейтронов, когда нейтроны прилипают к атомным ядрам. При достаточно высоких концентрациях нейтроны могут превращаться в протоны, увеличивая атомный номер элемента на единицу.
Нейтро́нный захва́т — вид ядерной реакции, в которой ядро атома соединяется с нейтроном и образует более тяжёлое ядро: (A, Z) + n → (A+1, Z) + γ. Нейтрон может приблизиться к ядру даже при околонулевой кинетической энергии, так как является электрически нейтральным, в отличие от положительно заряженного протона, который может быть захвачен лишь при достаточно большой энергии, позволяющей преодолеть электростатическое отталкивание. Википедия
«Когда происходит коллапс сверхновой, вы начинаете с большой звезды, которая гравитационно связана, и эта связь имеет энергию», — говорит Балантекин. «Когда он коллапсирует, эта энергия должна высвободиться, и оказывается, что энергия высвобождается в нейтрино».
Законы квантовой механики гласят, что эти нейтрино могут запутаться, поскольку они взаимодействуют в коллапсирующей сверхновой. Запутывание — это когда любые две или более частицы взаимодействуют, а затем «запоминают» другие, независимо от того, насколько далеко они могут находиться друг от друга.
«Один вопрос, который мы можем задать, заключается в том, запутаны ли эти нейтрино друг с другом или нет», — говорит Балантекин. «Эта статья показывает, что если нейтрино запутаны, то возникает новый усовершенствованный процесс производства элементов, i-процесс».
Экспериментальные и смоделированные доказательства
Для обоснования своих расчетов исследователи использовали два известных факта: хорошо установленные скорости захвата нейтронов и каталоги атомных спектров звезд, которые астрономы собирали на протяжении десятилетий, чтобы определить содержание различных элементов. Они также знали, что при коллапсе сверхновой образуется порядка 10 58 нейтрино — число, которое слишком велико, чтобы его можно было использовать в каких-либо стандартных расчетах.
Вместо этого они смоделировали до восьми нейтрино и рассчитали количество элементов, которые могли бы возникнуть в результате захвата нейтронов, если бы нейтрино были запутаны или не были запутаны.
«У нас есть система, скажем, из трех нейтрино и трех антинейтрино вместе в области, где есть протоны и нейтроны, и посмотрим, изменит ли это что-нибудь в образовании элементов», — говорит Балантекин. «Мы вычисляем содержание элементов, которые производятся в звезде, и вы видите, что запутанные и незапутанные случаи дают разное содержание».
Моделирование показало, что элементы с атомным номером больше 140, вероятно, будут усилены захватом нейтронов i-процессом, но только если нейтрино запутаны.
Предостережения и будущая работа
Балантекин отмечает, что эти симуляции — всего лишь «намеки», основанные на астрономических наблюдениях. Астрофизические исследования требуют использования космоса в качестве лаборатории, а проводить настоящие экспериментальные испытания на Земле сложно.
«Есть так называемая стандартная модель физики элементарных частиц, которая определяет взаимодействие частиц. Взаимодействие нейтрино-нейтрино — это один из аспектов стандартной модели, который не проверялся в лаборатории, его можно проверить только в астрофизических крайностях», — Балантекин. говорит.
«Но другие аспекты стандартной модели были протестированы в лаборатории, поэтому можно полагать, что все это должно работать». В настоящее время исследователи используют дополнительные астрофизические данные о содержании элементов в экстремальных условиях, чтобы увидеть, можно ли по-прежнему объяснять это содержание запутанными нейтрино.
Больше информации: A. Baha Balantekin et al, Collective Neutrino Oscillations and Heavy-element Nucleosynthesis in Supernovae: Exploring Potential Effects of Many-body Neutrino Correlations, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad393d
0 комментариев