O măsurătoare pionieră la FRIB descifrează parțial originea unuia dintre cele mai rare izotope cosmice

Sursa foto: Sciencedaily

Experiment unic în lume oferă indicii despre nașterea izotopului selenium‑74

O echipă internațională de cercetători a recreat în laborator un pas esențial dintr‑un proces stellar responsabil pentru generarea unor elemente extrem de rare, oferind date experimentale directe care reduc substanțial incertitudinea legată de abundența în univers a izotopului selenium‑74. Măsurarea, realizată pentru prima dată prin utilizarea unui fascicul de izotop rar de arsenic‑73, marchează un avans major în înțelegerea modului în care se formează nuclee bogate în protoni, denumite p‑nuclei.

Context: de ce p‑nuclei rămân un mister

În fizica nucleară și astrofizică, explicarea originii elementelor rămâne o preocupare centrală. Majoritatea elementelor mai grele decât fierul sunt produse prin procese de captură lentă sau rapidă de neutroni, urmate de dezintegrare radioactivă până la forme stabile. Totuși, această cale nu explică existența p‑nucleelor — izotopi bogați în protoni care nu pot fi formați prin captură de neutroni. Grupul acestor izotopi se întinde de la selenium‑74, cel mai ușor, până la mercur‑196, cel mai greu, iar originea lor a constituit o problemă deschisă decenii la rând.

Măsurătoarea pionieră

Studiul condus de Artemis Tsantiri, realizat în timpul doctoratului la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) și continuat după aceea ca postdoctorand la University of Regina, a reușit să reproducă în laborator captura de proton de către arsenic‑73, reacția care conduce la formarea selenium‑74. Cercetătorii au generat un fascicul de arsenic‑73 și l‑au direcționat într‑o cameră umplută cu gaz hidrogen, folosit ca sursă de protoni, poziționată în centrul detectorului Summing NaI (SuN). Această abordare le‑a permis să observe, pentru prima dată direct, procesul prin care arsenic‑73 absoarbe un proton și se transformă în selenium‑74 într‑un stadiu excitat, urmat de emisia unei raze gamma pentru a ajunge la starea stabilă.

Detalii experimentale și inovații

Fasciculul de arsenic‑73 a fost produs cu ajutorul acceleratorului ReA al FRIB, operat într‑o configurație independentă, fără a folosi accelerorul liniar principal. Grupul de radiochimie, condus de Katharina Domnanich, a pregătit materialul într‑o formă adecvată pentru experiment. Ulterior, izotopul a fost introdus într‑o sursă de ioni în modul batch, unde a fost ionizat, accelerat la energii ridicate și livrat țintei. Această setare a demonstrat flexibilitatea acceleratorului ReA în producerea și studiul izotopilor rari.

Echipa s‑a concentrat, totodată, pe reacția inversă — procesul prin care selenium‑74 este fragmentat de razele gamma — deoarece acesta joacă un rol crucial în procesul gamma, ipoteticul mecanism din exploziile supernovelor care ar îndepărta neutroni din nucleele existente și ar produce nuclee cu raport proton/neutron crescut. Prin măsurarea reacției directe de captură a protonului, cercetătorii au putut deduce viteza cu care reacția inversă se petrece în condiții stelare.

Rezultate: incertate tăiate la jumătate, dar întrebări rămân

Introducând noile măsurători în modelele astrofizice, grupul a reușit să reducă incertitudinea estimărilor privind abundența selenium‑74 în sistemul solar la jumătate. Acest salt în precizie reprezintă un progres semnificativ în modelarea sintezei p‑nucleelor. Cu toate acestea, modelele actualizate nu reușesc încă să coincidă complet cu observațiile naturale, indicând faptul că ipotezele despre condițiile din interiorul supernovelor ar putea necesita o revizuire sau completări suplimentare.

Artemis Spyrou, profesor de fizică la FRIB și la Michigan State University Department of Physics and Astronomy, consilier de cercetare al lui Tsantiri și inițiator al experimentului, a subliniat valoarea lucrării: „Aceste rezultate ne aduc un pas mai aproape de înțelegerea originii unor dintre cele mai rare izotopuri din univers.” Spyrou a mai remarcat că munca reprezintă un exemplu al colaborărilor multidisciplinare necesare pentru avansarea domeniului și evidențiază oportunitățile de dezvoltare profesională pentru cercetătorii aflați la început de carieră la FRIB.

Rolul procesului gamma în supernove

Una dintre explicațiile principale propuse pentru formarea p‑nucleelor este procesul gamma, care ar avea loc în anumite tipuri de explozii stelare. În aceste medii extreme, temperaturile ridicate generează radiații gamma suficient de energetice pentru a smulge neutroni și alte particule din nucleele grele existente. Rămase fără neutroni în aceeași proporție, nucleele capătă un excedent de protoni; ulterior, unele dintre ele transformă protoni în neutroni prin procese de dezintegrare sau conversie, deplasându‑se către combinații mai stabile și, în final, către formarea p‑nucleelor. Multe dintre izotope implicate sunt instabile și dificil de produs în laborator, ceea ce a făcut până acum ca predicțiile teoretice să domine domeniul, pe seama datelor experimentale directe, rare.

Colaborare extinsă și susținere

Rezultatul a implicat peste 45 de oameni de știință din 20 de instituții din Statele Unite, Canada și Europa, reflectând natura largă și colaborativă a proiectului. Finanțarea a fost asigurată parțial de mai multe agenții: Office of Science Office of Nuclear Physics din cadrul U.S. Department of Energy; National Science Foundation din Statele Unite; National Nuclear Security Administration din Statele Unite; și Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada. Izotopul utilizat în această cercetare a fost furnizat de U.S. Department of Energy Isotope Program, administrat de Office of Isotope R&D and Production.

Sprijin instituțional și logistici experimentale

Suportul logistic și instituțional al FRIB a fost esențial pentru realizarea acestui experiment. Capacitatea de a opera acceleratorul ReA într‑o configurație independentă, de a pregăti materiale radiochimice specifice și de a integra detectoare sensibile precum SuN au permis obținerea primelor măsurători directe asupra reacției arsenic‑73 + p → selenium‑74. Această combinație de facilități, expertiză radiochimică și instrumentație de detectare dovedește modul în care centrele de cercetare moderne pot reproduce procese stelare la scară de laborator.

Publicație și referințe

Rezultatele cercetării au fost publicate în revista Physical Review Letters sub titlul „Constrângerea sintezei celui mai ușor p‑nucleu 74Se” (titlu original: „Constraining the Synthesis of the Lightest p Nucleus 74Se”). Lucrarea a fost semnată de o echipă numeroasă de autori. Referința completă din articol include următorii autori, în ordinea afișată în sursă:

• A. Tsantiri
• A. Spyrou
• E. C. Good
• K. Bosmpotinis
• P. Giuliani
• H. Arora
• G. Balk
• L. Balliet
• H. C. Berg
• J. M. Berkman
• C. Dembski
• P. DeYoung
• Pavel A. Denissenkov
• N. Dimitrakopoulos
• A. Doetsch
• T. Gaballah
• R. Garg
• A. Henriques
• R. Jain
• S. N. Liddick
• S. Lyons
• R. S. Lubna
• B. Monteagudo Godoy
• F. Montes
• S. Nash
• G. U. Ogudoro
• J. Owens‑Fryar
• A. Palmisano‑Kyle
• J. Pereira
• A. Psaltis
• A. L. Richard
• L. Roberti
• E. K. Ronning
• H. Schatz
• A. Sebastian
• M. Smith
• M. K. Smith
• C. S. Sumithrarachchi
• C. Tinson
• P. Tsintari
• N. Tubaro
• S. Uthayakumaar
• A. C. C. Villari
• E. Weissling
• R. G. T. Zegers

Referința bibliografică furnizată în sursă indică: Physical Review Letters, 2025; volum 135 (21). DOI: http://dx.doi.org/10.1103/d7dr-h36j.

Ce urmează în cercetare

Deși reducerea incertitudinii privind abundența selenium‑74 reprezintă un progres major, discrepanțele care persistă între modele și observații sugerează că mai sunt necesare măsurători suplimentare și posibile ajustări ale ipotezelor despre mediile explozive din stele. Rezultatele obținute deschid calea pentru experimente similare asupra altor izotopi scurti‑trăitori implicați în sinteza p‑nucleelor și subliniază importanța facilităților capabile să producă fascicule de izotopi rari și instrumentelor sensibile de detectare.

Detaliile tehnice și interpretarea astrophizică a datelor vor constitui teme centrale pentru următoarele etape ale cercetării, în timp ce colaborările multidisciplinare vor rămâne esențiale pentru a conecta măsurătorile de laborator cu modelele care încearcă să redea realitatea din interiorul supernovelor.

Mai multe informații despre studiul FRIB și resursele instituției pot fi găsite la pagina centrului FRIB: Studii FRIB despre izotopi, iar referința publicată în jurnal este accesibilă prin DOI: http://dx.doi.org/10.1103/d7dr-h36j. O sinteză a comunicatului de presă este disponibilă și pe site‑ul agenției care a popularizat știrea: ScienceDaily: Oamenii de știință au recreat o reacție cosmică rară.