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宇宙中稀有原子核合成的新过程

导读GSI 亥姆霍兹中心、达姆施塔特工业大学和马克斯普朗克天体物理研究所的科学家提出了一种新的核合成过程,称为 νr 过程。当富含中子的...

GSI 亥姆霍兹中心、达姆施塔特工业大学和马克斯普朗克天体物理研究所的科学家提出了一种新的核合成过程,称为 νr 过程。当富含中子的材料暴露于高通量的中微子时,该过程就会发生。这项理论建议最近发表在《物理评论快报》上,它可能是解决一个长期存在的问题的解决方案,该问题与太阳系中存在但其起源仍不太清楚的一组稀有同位素(即所谓的 p 核)的产生有关。

大质量恒星中的聚变过程产生的原子核最高可达铁和镍。除此之外,大多数稳定的重核,如铅和金,都是通过慢中子或快中子俘获过程产生的。对于其余缺乏中子的原子核,人们提出了各种核合成过程。然而,解释(早期)太阳系中92,94 Mo、96,98 Ru 和92 Nb 的丰度仍然是一个挑战。

νr 过程允许同时产生所有这些原子核,因为中微子会催化一系列捕获反应。该过程的工作原理如下:νr 过程在天体物理爆炸中富含中子的外流中进行,最初,当温度较高时,由位于铁和镍周围的中子和原子核组成。随着材料温度降低,通过一系列中子俘获和弱相互作用过程,较轻的原子核会变成较重的原子核。然而,与快速中子俘获过程(其中弱反应是 β 衰变)不同,对于 νr 过程来说,它们是中微子吸收反应。一旦自由中子耗尽,进一步的中微子吸收反应会将原子核中的中子转化为质子,从而将产生的原子核推向甚至超越 β 稳定线。中微子的能量足以激发原子核,使其衰变,并发射中子、质子和阿尔法粒子。发射的粒子被重核捕获。这会引发一系列由中微子催化的捕获反应,这些反应决定了νr过程产生的元素的最终丰度。通过这种方式,中微子可以产生中子缺陷的原子核,否则这些原子核是无法接近的。“我们的发现为通过原子核上的中微子吸收反应来解释p核的起源开辟了一种新的可能性,”GSI/FAIR核天体物理和结构系的科学家、该出版物的通讯作者Zewei Xiong说。

在确定了驱动 νr 过程的一系列反应后,发生该过程的恒星爆炸类型仍有待确定。在他们的出版物中,作者提出 νr 过程在强磁场环境中喷出的物质中发生,例如磁旋转超新星、坍缩星或磁星。这一建议促使天体物理学家寻找合适的条件,事实上,第一篇出版物已经报告了磁驱动的喷出物达到了必要的

条件。

νr 过程需要了解位于 beta 稳定线两侧的原子核上的中微子反应和中子俘获反应。借助 GSI/FAIR 设施独特的储存环功能,测量相关反应将成为可能。

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