В таблице Менделеева есть элементы, которые плохо объясняются привычными сценариями рождения элементов во Вселенной. К ним относятся так называемые p-нуклиды, редкие изотопы с избытком протонов.
Теперь у физиков появился редкий шанс заглянуть в их происхождение не через расчеты, а через прямой эксперимент: команда на установке FRIB впервые измерила, как радиоактивный мышьяк-73 захватывает протон и превращается в селен-74. Это тот самый селен-74, который считается самым легким p-нуклидом и давно служит тестом на прочность для моделей звездных взрывов.
Работу возглавила Артемис Цанцири, на момент эксперимента аспирантка FRIB, а сейчас постдок в Университете Реджайны в Канаде. Результаты опубликованы в Physical Review Letters в статье Constraining the Synthesis of the Lightest p Nucleus 74Se. В проекте участвовали более 45 исследователей из 20 организаций США, Канады и Европы, что само по себе показывает, насколько непросто добывать данные по таким реакциям.
Основную «массу» тяжелых элементов, которые появляются после железа, наука объясняет двумя путями: медленным и быстрым захватом нейтронов с последующими распадами до стабильных изотопов. Но p-нуклиды в эту картину не укладываются. Их диапазон начинается как раз с селена-74 и тянется до ртути-196. Наиболее популярная гипотеза говорит о гамма-процессе в некоторых типах сверхновых: при колоссальных температурах гамма-кванты выбивают из тяжелых ядер нейтроны и другие частицы, и в итоге получаются ядра, «перекошенные» в сторону протонов. Дальше часть протонов превращается в нейтроны, и цепочка реакций выводит систему к редким p-нуклидам. Проблема в том, что многие ключевые ядра в этих цепочках короткоживущие и в лаборатории почти недоступны, поэтому модели часто опираются на теорию и приближения.
В новом эксперименте исследователи впервые смогли в лабораторных условиях изучить захват протона ядром мышьяка-73 с образованием селена-74. Для этого пучок мышьяка-73 направляли в небольшую мишень из водорода, размещенную в центре детектора SuN, который регистрировал гамма-излучение. Селен-74 рождается в возбужденном состоянии и «сбрасывает» лишнюю энергию, испуская гамма-квант. Такой сигнал и позволяет восстановить скорость реакции, а через нее оценить и обратный процесс, важный именно для гамма-процесса в сверхновых. Отдельно подчеркивается техническая сторона: изотоп мышьяка-73 подготовили радиохимики, затем его ионы извлекали из источника, ускоряли и доставляли на эксперимент, причем ускоритель ReA работал автономно, независимо от основного линейного ускорителя FRIB. Это демонстрирует, что подобные измерения можно проводить более гибко, не «привязываясь» к основной цепочке формирования пучков.
Для астрофизики важны не только механизмы образования изотопа, но и то, как он разрушается. В случае селена-74 ключевая неопределенность в оценках его распространенности в Солнечной системе связана именно с разрушением под действием гамма-излучения в гамма-процессе. Когда авторы подставили новые экспериментальные данные в модель, неопределенность в расчетной относительной доле селена-74 уменьшилась примерно вдвое. Это заметный шаг вперед, но полного совпадения с наблюдаемой распространенностью селена-74 модель по-прежнему не дает. По мнению исследователей, это означает, что придется уточнять не только ядерную физику отдельных реакций, но и сами астрофизические условия, при которых, как предполагается, работает гамма-процесс.
Как отмечают участники проекта, подобные измерения на короткоживущих изотопах десятилетиями оставались редкостью, и только сейчас становятся реалистичными благодаря установкам уровня FRIB. А для истории с p-нуклидами это принципиально: чем больше реакций удается «вытащить» из теоретических оценок в эксперимент, тем меньше пространства остается для догадок о том, где именно во Вселенной рождаются самые редкие изотопы.