Hogyan hoznak létre a tudósok csillagrobbanásokat a Földön

Elemek kovácsolása egy laborban

A csontjaidban lévő kalcium minden egyes atomja, az étrendedben lévő szelén minden nyoma egy csillagban vagy annak heves halálában kovácsolódott. A tudósok évtizedek óta értik a csillagászati nukleoszintézis – az a folyamat, amely során a csillagok nehezebb elemeket építenek fel könnyebbekből – fő vonásait. De egy makacs rejtély továbbra is fennállt: körülbelül 35 ritka, protonban gazdag izotópot, az úgynevezett p-magokat, nem lehetett megmagyarázni a szokásos folyamatokkal. A rejtvény megfejtéséhez a fizikusoknak újra kellett teremteniük a robbanó csillagok körülményeit – nem a világűrben, hanem egy michigani laboratóriumban.

A gép: FRIB

A Ritka Izotópnyalábok Létesítménye (FRIB), amelyet a Michigan Állami Egyetem üzemeltet az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma számára, a világ legerősebb ritkaizotóp-gyorsítója. Szupervezető lineáris gyorsítója – közel 50 000 szupravezető alkatrészből álló lánc, amelyet a közel abszolút nulla fokra hűtenek – bármely elem ionjait, a hidrogéntől az uránig, a fénysebesség több mint felére gyorsítja.

A felgyorsított nyaláb ezután egy céltárgynak ütközik. Az ütközés egzotikus, rövid élettartamú izotópokra zúzza szét a nehéz magokat, amelyek normál körülmények között nem léteznek a Földön. Óriási mágnesek válogatják szét a törmeléket, kiválasztva a tudósok által kívánt izotópokat, és kísérleti csarnokokba irányítják őket tanulmányozásra. Lényegében a FRIB asztali méretben újraalkotja azt, amit a szupernóvák másodpercek alatt hajtanak végre fényéveken átívelő térben.

Miért fontos: A hiányzó elemek

A legtöbb nehéz elem két jól ismert útvonalon épül fel. Az s-folyamat (lassú neutronbefogás) öregedő óriáscsillagok belsejében működik, és több ezer év alatt lépésről lépésre építi fel az elemeket. Az r-folyamat (gyors neutronbefogás) kataklizmikus eseményekben, például neutroncsillag-összeolvadásokban fordul elő, és másodpercek alatt hoz létre elemeket. Együttesen a vasnál nehezebb izotópok túlnyomó többségét teszik ki.

De körülbelül 35 természetben előforduló izotóp – a p-magok – protonban gazdag, ami azt jelenti, hogy több protont tartalmaznak, mint amennyit az s- vagy az r-folyamat képes előállítani. Ezek az izotópok, a szelén-74-től a higany-196-ig terjednek, rendkívül ritkák, jellemzően 10-szerestől 1000-szereséig kevésbé gyakoriak, mint a periódusos rendszerben lévő szomszédaik. A vezető elmélet, az úgynevezett gamma-folyamat, azt állítja, hogy akkor képződnek, amikor a szupernóvák belsejében lévő intenzív gamma-sugárzás neutronokat távolít el a nehezebb magokból. De a közelmúltig ennek a láncnak a kulcsfontosságú reakcióit soha nem mérték közvetlenül.

Egyedülálló mérés

Egy mérföldkőnek számító kísérletben Artemis Tsantiri fizikus vezette csapat a FRIB segítségével arzén-73 nyalábot állított elő – egy radioaktív izotópot, amely mindössze 80 nap alatt elbomlik. Azzal, hogy ezt a nyalábot egy hidrogén céltárgyra lőtték, közvetlenül megmérték azt a sebességet, amellyel az arzén-73 egy protont fog el, és szelén-74-gyé válik, a legkönnyebb ismert p-maggá. Ez volt az első alkalom, hogy ezt a reakciót valaha is megfigyelték ritka izotópnyaláb segítségével.

Az eredmények felére csökkentették a bizonytalanságot a szelén-74 termelésének modelljeiben, ami a legszigorúbb korlátokat adja arra vonatkozóan, hogy ez az elem hogyan képződik és pusztul el a szupernóvák belsejében. A mérés megerősítette, hogy a gamma-folyamat megmagyarázhatja a szelén-74 kozmikus gyakoriságát – egy évtizedek óta tartó rejtvény kritikus darabját.

Asztrofizikán túl

A FRIB hatóköre messze túlmutat a csillagokon. Az általa előállított egzotikus izotópok eszközökként szolgálnak a nukleáris medicinában, ahol az új radioizotópok célzottabb diagnosztikát és rákterápiákat tesznek lehetővé. A létesítmény hozzájárul a honi biztonsági alkalmazásokhoz és az alapvető fizikai kutatásokhoz is, tesztelve a természet szimmetriáit, amelyek a Standard Modellen túli fizikát tárhatnak fel.

Mivel a gyorsító most rutinszerűen 20 kilowatt teljesítményű uránnyalábokat állít elő – ami a korábbi rekord kétszerese –, a FRIB készen áll arra, hogy az elkövetkező években több száz új izotópot fedezzen fel. Mindegyik egy adatpont, amely segít a tudósoknak feltérképezni a nukleáris létezés határait, és megérteni azokat az erőszakos kozmikus kohókat, amelyek felépítették a periódusos rendszert.

A nagyobb kép

Az elemek eredetének megértése több, mint egy akadémiai gyakorlat. A csontokban lévő kalcium, a pajzsmirigyben lévő jód, az enzimekben lévő szelén – mindezeket csillagászati folyamatok szintetizálták több milliárd évvel ezelőtt. Az olyan létesítmények, mint a FRIB, lehetővé teszik a tudósok számára, hogy visszafejtsék ezeket a folyamatokat, és laboratóriumi pontossággal teszteljék az asztrofizikai modelleket. Egyszerre egy egzotikus magnyalábbal töltik ki magának az anyagnak az eredettörténetét.