Сразу после своего рождения в результате Большого взрыва Вселенная должна была состоять в основном из легких элементов, таких как водород и гелий. Что касается тяжелых элементов, то их образование до сих пор остается неясным. Новое исследование предполагает, что ключевую роль в этом могли сыграть запутанные нейтрино. Более тяжелые элементы (в основном металлы), вплоть до железа, продолжали образовываться в течение 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва в результате процессов ядерного синтеза в центрах горячих звезд.
Однако после железа добавление дополнительных протонов требует больше энергии, чем может обеспечить процесс синтеза. Поэтому ядерный синтез происходит путем захвата нейтронов. Нейтроны собираются на атомных ядрах и при достаточно высокой концентрации превращаются в протоны. При этом атомный номер элемента увеличивается на единицу. Это превращение зависит от нейтрино и антинейтрино.
Захват нейтронов может происходить медленно или быстро (за несколько минут). Однако быстрый захват нейтронов может произойти только при высвобождении очень большого количества энергии, то есть во время катастрофического события, такого как распад сверхновой.
"Неясно, где производятся химические элементы, и мы не знаем всех возможных способов их получения", — объясняет ведущий автор нового исследования Баха Балантекин, профессор физики Университета Висконсин-Мэдисон. Свое исследование он проводил совместно с Физическим пограничным центром Сети по нейтрино, ядерной астрофизике и симметриям (N3AS).
"Мы думаем, что некоторые из них образуются во время взрывов сверхновых или слияний нейтронных звезд, и что многие из этих объектов управляются законами квантовой механики", — добавил он. К лучшему пониманию нейтрино В пресс-релизе Балантекин заявил:
"Когда сверхновая взрывается, энергия должна высвобождаться, и она высвобождается в виде нейтрино". Согласно законам квантовой механики, эти нейтрино могут стать запутанными, поскольку они взаимодействуют в коллапсирующей сверхновой. Запутанность возникает, когда две или более частиц взаимодействуют и связываются на квантовом уровне. Эта связь их квантовых состояний сохраняется независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. "Один из вопросов, который мы можем задать себе, — действительно ли эти нейтрино запутаны или нет", — объясняет Балантекин.
Нейтрино практически безмассовы и поэтому не имеют практически никакого способа "заявить" о своем присутствии, что объясняет, почему их называют "частицами-призраками". Их количество означает, что они, как в плане испускания, так и поглощения, оказывают влияние на количество протонов и нейтронов в сердце массивных звезд и катаклизмических космических событий. Эти фантомные частицы также склонны колебаться в квантовом пятне, в котором электронные, мюонные и тау-нейтрино постоянно обмениваются своими тождествами.
Однако моделирование большого количества нейтрино — непростая задача. Поэтому физики часто рассматривают их как единую систему, где свойства отдельных частиц рассматриваются как одна большая запутанная суперчастица. Балантекин и его коллеги использовали этот подход, чтобы лучше понять, как нейтринные ветры, испускаемые зарождающейся нейтронной звездой, могут служить процессом нуклеосинтеза. В рамках своего исследования они смоделировали до восьми нейтрино и рассчитали обилие элементов, которые могли бы образоваться в результате захвата нейтронов, независимо от того, были ли нейтрино запутанными или нет.
Проведенное моделирование показало, что элементы с атомным номером более 140, скорее всего, будут образовываться путем захвата нейтронов, при условии, что нейтрино запутаны.
"У нас есть система, состоящая, скажем, из трех нейтрино и трех антинейтрино вместе в области, где есть протоны и нейтроны, и мы посмотрим, изменит ли это что-нибудь в образовании элементов", — говорит Балантекин. "Мы рассчитаем обилие элементов, образующихся в звезде, и обнаружим, что запутанные и незапутанные случаи дают разное обилие".
В настоящее время исследователи используют другие данные об обилии элементов в экстремальных средах, чтобы проверить, можно ли и дальше объяснять это обилие запутанными нейтрино или нет.