นักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ ไขปริศนาความไม่แน่นอนของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสิกส์ในการก่อตัวของแบเรียมในดาวฤกษ์

นักวิทยาศาสตร์จากโรงงานรังสีไอโซโทปหายากของสหรัฐฯ (FRIB) และระบบเครื่องเร่งอนุภาคแบบเส้นตรงต่อกันของอาร์เจนตินา (ATLAS) ประสบความสำเร็จในการแก้ไขความไม่แน่นอนที่สำคัญในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสิกส์ ซึ่งช่วยให้เข้าใจว่าธาตุสทรอนเชียมก่อตัวขึ้นในดาวฤกษ์ได้อย่างไร ความสำเร็จนี้เกี่ยวข้องกับสถาบัน 12 แห่งจากแคนาดาและยุโรป โดยใช้วิธีทางอ้อม คือการวัดพฤติกรรมของไอโซโทปของธาตุคริปตอนอีกชนิดหนึ่ง เพื่ออนุมานการก่อตัวของสทรอนเชียม ธาตุส่วนใหญ่ในเอกภพถูกสร้างขึ้นจากกิจกรรมของดาวฤกษ์ ตั้งแต่ทศวรรษ 1950 นักวิทยาศาสตร์พึ่งพากระบวนการที่กำหนดไว้ 3 กระบวนการเพื่ออธิบายการก่อตัวของธาตุที่หนักกว่าเหล็ก ได้แก่ กระบวนการ r (กระบวนการจับนิวตรอนอย่างรวดเร็ว) กระบวนการ s (กระบวนการจับนิวตรอนอย่างช้าๆ) และกระบวนการ p ซึ่งกระบวนการหลังนี้ก่อให้เกิดไอโซโทปที่อุดมด้วยโปรตอนและมีมวลมากกว่า

ไอโซโทปเหล่านี้ไม่สามารถสร้างขึ้นผ่านกระบวนการจับนิวตรอนได้ ทุกกระบวนการเกี่ยวข้องกับการจับหรือการกำจัดนิวตรอน และอธิบายธาตุเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จนกระทั่งทศวรรษ 1990 เมื่อนักวิทยาศาสตร์เริ่มสังเกตความอุดมสมบูรณ์ของธาตุบางชนิดในดาวฤกษ์โบราณ การอธิบายของกระบวนการเหล่านี้เริ่มแสดงความคลาดเคลื่อน และหนึ่งในนั้นคือธาตุสทรอนเชียม การอธิบายความอุดมสมบูรณ์ของสทรอนเชียม สทรอนเชียมเป็นโลหะอัลคาไลน์เอิร์ท ซึ่งมักใช้ในดอกไม้ไฟและสีเรืองแสงในที่มืด นอกจากนี้ยังใช้ในการวิเคราะห์ทางโบราณคดี โดยผ่านไอโซโทปช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ระบุอายุและแหล่งที่มาของตัวอย่างได้ สำหรับนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ การทำความเข้าใจการก่อตัวของสทรอนเชียมช่วยอธิบายนิวคลีโอซินธีซิส ซึ่งเป็นกระบวนการที่ดาวฤกษ์สร้างธาตุขึ้น

การก่อตัวของธาตุสทรอนเชียมและความสำคัญ

แนวทางหนึ่งที่ถูกเสนอเพื่ออธิบายความอุดมสมบูรณ์ของสทรอนเชียมคือกระบวนการ i กระบวนการนี้เกิดขึ้นภายใต้สภาวะระหว่างกระบวนการ s และกระบวนการ r โดยมีความหนาแน่นของนิวตรอนและมาตราส่วนเวลาประมาณไม่กี่นาที กระบวนการ r คือกระบวนการจับนิวตรอนอย่างรวดเร็ว และกระบวนการ s คือกระบวนการจับนิวตรอนอย่างช้าๆ ส่วนกระบวนการ i จะดูดซับนิวตรอนอย่างรวดเร็วและสร้างธาตุที่หนักขึ้น แม้ว่าแบบจำลองกระบวนการ i จะสามารถอธิบายความอุดมสมบูรณ์ของธาตุหลายชนิดได้ แต่สำหรับสทรอนเชียมนั้นไม่สามารถนำมาใช้ได้ เนื่องจากมีปริมาณการผลิตต่ำเกินไป Falk Herwig ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวิกตอเรีย กล่าวว่า "แบบจำลองของเราได้ชี้ให้เห็นว่าการจับนิวตรอนของคริปตอน-88 เป็นปัจจัยสำคัญที่ไม่ทราบแน่ชัดในการขาดแคลนสทรอนเชียม"

การขจัดความไม่แน่นอน ปฏิกิริยาการจับนิวตรอนวัดโดยตรงได้ยากเนื่องจากต้องสร้างสภาวะของดาวฤกษ์ในห้องปฏิบัติการซ้ำ ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นไม่บ่อยนัก และนิวเคลียสที่เกี่ยวข้องมีอายุสั้น ทีมวิจัยใช้วิธีทางอ้อมเพื่อเอาชนะความท้าทายนี้ โดยสร้างคริปตอน-89 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่หนักกว่า และทำให้มันสลายตัวไปยังสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า โดยใช้เครื่องตรวจจับ SuN (Sum Nal) ของ FRIB ในการวัดที่ ATLAS นักวิจัยสามารถวัดการปล่อยรังสีแกมมาของคริปตอน-89 และอนุมานอัตราการจับนิวตรอนของคริปตอน-88 ทางอ้อม ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าอัตราการจับนิวตรอนของคริปตอน-88 ต่ำกว่าที่ทฤษฎีคาดการณ์ไว้อย่างเห็นได้ชัด

ความก้าวหน้าที่สำคัญในการขจัดความไม่แน่นอนทางนิวเคลียร์

เมื่อพวกเขานำอัตรานี้ไปใช้ในแบบจำลองกระบวนการ i ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าปริมาณสทรอนเชียมที่ถูกสร้างขึ้นมีความใกล้เคียงกับข้อมูลสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์มากยิ่งขึ้น "ตอนนี้เราทราบอัตราการเกิดปฏิกิริยานี้แล้ว ขั้นตอนต่อไปทั้งหมดขึ้นอยู่กับผู้สร้างแบบจำลองของเรา" Herwig กล่าวเสริมในข่าวประชาสัมพันธ์ "เมื่อความไม่แน่นอนทางนิวเคลียร์หลักถูกขจัดออกไป เราสามารถหันมามุ่งเน้นไปที่ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ศึกษาความหนาแน่นของนิวตรอนและระยะเวลาการเผาไหม้ และพยายามลดช่องว่างกับสิ่งที่เราสังเกตเห็นในดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดของเรา" ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Communications Physics

รายการ	ข้อมูลจำเพาะ
สถาบันวิจัยหลัก	โรงงานรังสีไอโซโทปหายาก (FRIB) ระบบเครื่องเร่งอนุภาคแบบเส้นตรงต่อกันของอาร์เจนตินา (ATLAS)
ธาตุสำคัญ	สทรอนเชียม
วิธีการวิจัย	การวัดทางอ้อมของการปล่อยรังสีแกมมาของคริปตอน-89

ผลกระทบของการวิจัยสทรอนเชียมต่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์

การก่อตัวของธาตุสทรอนเชียมมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับกระบวนการนิวคลีโอซินธีซิสในดาวฤกษ์ การทำความเข้าใจกลไกการก่อตัวของมันจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ การวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ช่วยแก้ไขความคลาดเคลื่อนในการอธิบายความอุดมสมบูรณ์ของธาตุสทรอนเชียมที่ผ่านมา แต่ยังเปิดทิศทางใหม่สำหรับการวิจัยในอนาคตอีกด้วย ด้วยการขจัดความไม่แน่นอนที่สำคัญ นักวิทยาศาสตร์สามารถจำลองปฏิกิริยานิวเคลียร์ภายในดาวฤกษ์ได้แม่นยำยิ่งขึ้น สำรวจผลกระทบของความหนาแน่นของนิวตรอนและระยะเวลาการเผาไหม้เพิ่มเติม ซึ่งช่วยเพิ่มพูนความเข้าใจโดยรวมเกี่ยวกับการก่อตัวของธาตุในเอกภพ