Эксперименты в ЦЕРН помогли объяснить «молибденовую аномалию» Солнечной системы
Первое прямое измерение захвата нейтронов ниобием-94 позволило согласовать расчеты с изотопным составом древней досолнечной пыли. Результаты помогли объяснить происхождение избытка молибдена-94 без привлечения экзотических сценариев.
Источник: Новости науки
МОСКВА, 11 августа /Новости науки/. Международная группа физиков впервые измерила захват нейтронов нестабильным ниобием-94. Результаты эксперимента на установке n_TOF в ЦЕРН опубликовал журнал Physical Review Letters.
Новые данные помогли воспроизвести в моделях звездного нуклеосинтеза повышенную долю молибдена-94, обнаруженную в досолнечных зернах карбида кремния из древних метеоритов. На протяжении примерно двух десятилетий расчеты предсказывали значительно меньшее количество этого изотопа, чем показывали измерения.
«Результаты устраняют одну из главных неопределенностей ядерной физики, связанную с ниобием-94, и позволяют увереннее судить о происхождении молибдена-94 в Солнечной системе», — пишут авторы работы.
Примерно половина атомных ядер тяжелее железа образуется в результате медленного захвата нейтронов — так называемого s-процесса. Он протекает, в частности, в недрах стареющих звезд с массой примерно от полутора до трех солнечных, вступивших в фазу асимптотической ветви гигантов.
Ниобий-94 занимает в цепочке этих реакций особое место. Его ядро может распасться и превратиться в молибден-94 либо захватить еще один нейтрон и образовать ниобий-95. От соотношения скоростей этих двух процессов зависит, сколько молибдена-94 в итоге возникнет в звезде. До сих пор вероятность захвата нейтрона ниобием-94 оценивали только теоретически.
Для эксперимента ученые изготовили образец из сверхчистого ниобия-93 и облучали его нейтронами в течение 51 дня в Институте Лауэ — Ланжевена во Франции. Полученный радиоактивный материал содержал около 9,2 квинтиллиона атомов ниобия-94 и обладал активностью 10,1 мегабеккереля.
Образец поместили на пути мощного импульсного пучка нейтронов установки n_TOF. Специальная система из девяти сегментированных детекторов регистрировала гамма-излучение, возникавшее при захвате нейтронов. Физики обнаружили и исследовали десять резонансов реакции при энергиях нейтронов до 800 электронвольт.
При энергии 5 килоэлектронвольт измеренная вероятность захвата оказалась на 26% выше прежней теоретической оценки. При 30 килоэлектронвольт расхождение не превышало 5%, а при более высоких энергиях экспериментальные значения были до 13% ниже расчетных.
Полученные показатели включили в подробные модели эволюции маломассивных старых звезд. Обновленные расчеты совпали с содержанием молибдена-94 в досолнечных зернах, сохранившихся в метеоритах. Они показали, что значительная часть этого изотопа рождается во время коротких тепловых импульсов, когда плотность нейтронов в недрах звезды резко возрастает.
Досолнечные зерна представляют собой микроскопические частицы, возникшие в потоках вещества, выброшенного древними звездами еще до появления Солнца. Позднее они вошли в состав метеоритов, сохранив изотопные следы ядерных реакций, протекавших в недрах давно исчезнувших светил. Исследование показало, что наблюдаемую «молибденовую аномалию» можно объяснить известными механизмами звездного нуклеосинтеза.
Новые данные помогли воспроизвести в моделях звездного нуклеосинтеза повышенную долю молибдена-94, обнаруженную в досолнечных зернах карбида кремния из древних метеоритов. На протяжении примерно двух десятилетий расчеты предсказывали значительно меньшее количество этого изотопа, чем показывали измерения.
«Результаты устраняют одну из главных неопределенностей ядерной физики, связанную с ниобием-94, и позволяют увереннее судить о происхождении молибдена-94 в Солнечной системе», — пишут авторы работы.
Примерно половина атомных ядер тяжелее железа образуется в результате медленного захвата нейтронов — так называемого s-процесса. Он протекает, в частности, в недрах стареющих звезд с массой примерно от полутора до трех солнечных, вступивших в фазу асимптотической ветви гигантов.
Ниобий-94 занимает в цепочке этих реакций особое место. Его ядро может распасться и превратиться в молибден-94 либо захватить еще один нейтрон и образовать ниобий-95. От соотношения скоростей этих двух процессов зависит, сколько молибдена-94 в итоге возникнет в звезде. До сих пор вероятность захвата нейтрона ниобием-94 оценивали только теоретически.
Для эксперимента ученые изготовили образец из сверхчистого ниобия-93 и облучали его нейтронами в течение 51 дня в Институте Лауэ — Ланжевена во Франции. Полученный радиоактивный материал содержал около 9,2 квинтиллиона атомов ниобия-94 и обладал активностью 10,1 мегабеккереля.
Образец поместили на пути мощного импульсного пучка нейтронов установки n_TOF. Специальная система из девяти сегментированных детекторов регистрировала гамма-излучение, возникавшее при захвате нейтронов. Физики обнаружили и исследовали десять резонансов реакции при энергиях нейтронов до 800 электронвольт.
При энергии 5 килоэлектронвольт измеренная вероятность захвата оказалась на 26% выше прежней теоретической оценки. При 30 килоэлектронвольт расхождение не превышало 5%, а при более высоких энергиях экспериментальные значения были до 13% ниже расчетных.
Полученные показатели включили в подробные модели эволюции маломассивных старых звезд. Обновленные расчеты совпали с содержанием молибдена-94 в досолнечных зернах, сохранившихся в метеоритах. Они показали, что значительная часть этого изотопа рождается во время коротких тепловых импульсов, когда плотность нейтронов в недрах звезды резко возрастает.
Досолнечные зерна представляют собой микроскопические частицы, возникшие в потоках вещества, выброшенного древними звездами еще до появления Солнца. Позднее они вошли в состав метеоритов, сохранив изотопные следы ядерных реакций, протекавших в недрах давно исчезнувших светил. Исследование показало, что наблюдаемую «молибденовую аномалию» можно объяснить известными механизмами звездного нуклеосинтеза.
