_ Măsurarea mult căutată a exoticului degradarea beta a taliului ajută la extragerea intervalului de timp al nașterii soarelui

Te-ai întrebat vreodată cât timp a durat soarele nostru să se formeze în grădinița sa stelară? O colaborare internațională a oamenilor de știință este acum mai aproape de un răspuns. Ei au reușit să măsoare dezintegrarea beta în stare legată a ionilor de taliu (²⁰⁵Tl⁸¹⁺) complet ionizați la Inelul de stocare experimental (ESR) al GSI/FAIR.

Această măsurătoare are efecte profunde asupra producției. de plumb radioactiv (²⁰⁵Pb) în stele de ramuri gigantice asimptotice (AGB) și poate fi folosit pentru a ajuta la determinarea timpului de formare a soarelui. Rezultatele au fost publicate în revista Nature.

Calculele actuale estimează că formarea soarelui nostru din norul molecular progenitor a durat aproximativ câteva zeci de milioane de ani. Oamenii de știință obțin acest număr de la radionuclizi cu viață lungă produși chiar înainte de formarea Soarelui prin ceea ce se numește procesul astrofizic s.

Procesul s a funcționat în vecinătatea solară în stele asimptotice ramuri gigant (AGB) — stele cu masă intermediară la sfârșitul ciclurilor lor de ardere. Radionuclizii, toți degradați de mult de la nașterea Soarelui în urmă cu 4,6 miliarde de ani, și-au lăsat amprentele sub forma unor mici excese de produse de descompunere în meteoriți, unde aceștia pot fi detectați acum.

Candidatul ideal este un radionuclid. care este produs pur prin procesul s și nu are poluări din alte procese de nucleosinteză. Nucleul „doar s” ²⁰⁵Pb este singurul candidat care îndeplinește aceste proprietăți.

Pe Pământ, este ²⁰⁵Pb atomic care se descompune la ²⁰⁵Tl prin conversia unuia dintre protonii săi și a unui electron atomic într-un neutron și un neutrinul electronic. Diferența de energie dintre ²⁰⁵Pb și fiica sa ²⁰⁵Tl este atât de mică încât energiile de legare mai mari ale electronilor din ²⁰⁵Pb (cu sarcina Z=82 comparativ cu doar 81 de electroni din ²⁰⁵Tl) înclină scara.

Cu alte cuvinte. , dacă toți electronii sunt îndepărtați, rolul fiicei și mamei în dezintegrare este inversat, iar ²⁰⁵Tl suferă o degradare beta minus la ²⁰⁵Pb. Acesta este ceea ce se întâmplă în stelele AGB, unde temperaturile de câteva 100 de milioane Kelvin sunt suficiente pentru a ioniza complet atomii. Cantitatea de ²⁰⁵Pb produsă în stelele AGB depinde în mod esențial de rata la care ²⁰⁵Tl se descompune la ²⁰⁵Pb. Dar această dezintegrare nu poate fi măsurată în condiții normale de laborator, deoarece acolo ²⁰⁵Tl este stabil.

Dezintegrarea ²⁰⁵Tl este posibilă energetic numai dacă electronul produs este captat într-una dintre orbitele atomice legate în ²⁰⁵Pb. Acesta este un mod de dezintegrare excepțional de rar, cunoscut sub numele de dezintegrare beta în stare legată. Mai mult, dezintegrarea nucleară duce la o stare excitată în ²⁰⁵Pb care este situată doar la o minuscul 2,3 kiloelectronvolt deasupra stării fundamentale, dar este puternic favorizată față de dezintegrarea la starea fundamentală.

Perechea ²⁰⁵Tl–²⁰⁵Pb poate fi imaginat ca un model de balansoar stelar, deoarece ambele direcții de dezintegrare sunt posibile, iar câștigătorul depinde de condițiile de mediu stelar de temperatură și densitate (electron) și de puterea tranziției nucleare, care a fost marea necunoscută în această competiție stelară.

Acest necunoscut a fost acum dezvăluit într-un experiment ingenios condus de o echipă internațională de oameni de știință provenind din 37 de instituții reprezentând douăsprezece țări. Dezintegrarea beta în stare legată este măsurabilă numai dacă nucleul în descompunere este dezbrăcat de toți electronii și este menținut în aceste condiții extraordinare timp de câteva ore. La nivel mondial, acest lucru este posibil numai la inelul de stocare experimental de ioni grei (ESR) GSI/FAIR combinat cu separatorul de fragmente (FRS).

„Măsurarea ²⁰⁵Tl⁸¹⁺ a fost propusă în anii 1980, dar a fost nevoie de zeci de ani de dezvoltare a acceleratorului și de munca grea a multor colegi pentru a o duce la bun sfârșit”, spune profesorul Yury Litvinov de la GSI/FAIR , purtătorul de cuvânt al experimentului. „A trebuit dezvoltate o multitudine de tehnici inovatoare pentru a atinge condițiile necesare pentru un experiment de succes, cum ar fi producerea de ²⁰⁵Tl gol într-o reacție nucleară, separarea acestuia în FRS și acumularea, răcirea, stocarea și monitorizarea în ESR.”

„Cunoscând puterea tranziției, acum putem calcula cu exactitate ratele la care perechea de balansoar ²⁰⁵Tl–²⁰⁵Pb funcționează în condițiile găsite în stelele AGB”, spune dr. Riccardo Mancino, care a efectuat calculele în calitate de cercetător post-doctoral la Universitatea Tehnică din Darmstadt și GSI/FAIR.

Producția ²⁰⁵Pb. randamentul în stele AGB a fost calculat de cercetătorii de la Observatorul Konkoly din Budapesta (Ungaria), INAF Osservatorio d'Abruzzo (Italia) și Universitatea din Hull (Marea Britanie), implementând noile rate de descompunere stelară ²⁰⁵Tl/²⁰⁵Pb în modelele lor astrofizice AGB de ultimă generație.

„Noua rată de dezintegrare ne permite să anticipăm cu încredere cât de mult ²⁰⁵Pb este produs în AGB stele și își găsește drumul în norul de gaz care a format soarele nostru”, explică dr. Maria Lugaro, cercetător la Observatorul Konkoly. „Prin compararea cu cantitatea de ²⁰⁵Pb pe care o deducem în prezent din meteoriți, noul rezultat oferă un interval de timp pentru formarea soarelui din norul molecular progenitor de 10 până la 20 de milioane de ani, care este în concordanță cu alte specii radioactive produse de neutronul lent. procesul de captare."

"Rezultatul nostru evidențiază modul în care instalațiile experimentale inovatoare, colaborarea între multe grupuri de cercetare și multă muncă asiduă ne pot ajuta să înțelegem procesele din nucleele stelelor Cu noul nostru rezultat experimental, putem descoperi cât de mult a durat soarele nostru să se formeze acum 4,6 miliarde de ani”, spune Guy Leckenby, doctorand la TRIUMF și primul autor al publicației.

Timpul de înjumătățire beta măsurat în starea legată este esențial pentru analiza acumulării de ²⁰⁵Pb în mediul interstelar. Cu toate acestea, sunt importante și alte reacții nucleare, inclusiv rata de captare a neutronilor pe ²⁰⁵Pb pentru care este planificat un experiment folosind metoda reacției surogat în ESR. Aceste rezultate ilustrează clar posibilitățile unice oferite de inelele de stocare cu ioni grei de la GSI/FAIR, permițând oamenilor de știință să aducă universul în laborator.

Lucrarea este dedicată colegilor decedați Fritz Bosch, Roberto Gallino, Hans Geissel, Paul Kienle, Fritz Nolden și Gerald J. Wasserburg, care au susținut această cercetare timp de mulți ani.

(Fluierul)