Érdekes módon az r-folyamat azon szimulációi, amelyek viszonylagosan jól leírják a báriumnál nehezebb elemek megfigyelt gyakoriságát, több mint egy nagyságrenddel kevesebb könnyű, azaz a stroncium és ezüst között található neutrongazdag atommag keletkezését jósolják, mint amennyi a természetben megtalálható. Ez a tény arra utal, hogy ezen atommagok egy (domináns) része nem a klasszikus r‑folyamat során, hanem valamilyen más nukleoszintézis-folyamatban keletkezik (Cowan et al., 2021). Jelen írás tárgyát a könnyű, Z < 48 rendszámú neutrongazdag magok szintézisének tanulmányozása céljából végzett vizsgálatok és azok eredményei képezik.

A II-es típusú, azaz magösszeomlásos szupernóvák elméleti tanulmányozása azt mutatja, hogy a stroncium és ezüst között található neutrongazdag atommagok jöhetnek létre a robbanás hatására kilökött anyagban. A Napunk tömegének legalább nyolcszorosát tartalmazó kezdeti tömegű csillagok szerkezete a hagymáéra emlékeztet. Kívülről befelé haladva egyre összetettebb, egyre nehezebb atommagokat létrehozó elemkeletkezési folyamatok mennek végbe az egyes rétegekben. Amikor a nukleoszintézis-folyamatok már nem tudnak megfelelő mennyiségű energiát termelni, a csillag magja összeomlik, az összeomlást pedig egy robbanás követi. A robbanás során lelökött – jellemzően protonokból és neutronokból álló, de a vasnál nehezebb atommagokat is tartalmazó – anyag távolodva a születő neutroncsillag felszínétől fokozatosan lehűl. Amikor a közeg hőmérséklete öt gigakelvin (azaz a Napunk belsejét jellemző hőmérséklet mintegy háromszázszorosa) alá csökken, lehetővé válik nehezebb atommagok kialakulása is magreakciók révén. A protonok és neutronok alfa-részecskéket alkotnak, amelyek a kilökött anyagban előforduló, vasnál nehezebb atommagokon végbemenő alfarészecske‑indukált reakciók révén felépíthetik a stroncium és ezüst között található neutrongazdag atommagokat. Ezt az elemkeletkezési szcenáriót gyenge r- vagy alfa-folyamatnak nevezzük (Arcones–Montes, 2011).

A gyenge r-folyamat modellezését hálózatszámításokkal végezzük, amelynek során több mint ezer különböző proton- és neutronszámú atommag tulajdonságait és a lehetséges magreakciók adatait vesszük figyelembe. Az érintett atommagok döntő többsége – szemben a „klasszikus” r-folyamattal – a stabil atommagok környezetében található, így a tulajdonságaik (például a tömegük vagy az életidejük) a szükséges pontossággal már napjainkban is ismertek. Az alfarészecske-indukált reakciók hatáskeresztmetszeteit – azaz a reakció végbemenetelének valószínűségét – elméleti magfizikai modellek segítségével határozhatjuk meg. Ezeknek az elméleti számításoknak számos magfizikai paraméterük van, ezek egy része a keletkező mag tulajdonságait, más része a különböző reakciók hatáskeresztmetszeteit írja le. Mindezen bemenő adatokra különböző paraméterezések állnak rendelkezésre a szakirodalomban. Ugyanakkor az asztrofizikai közeg hőmérsékletének megfelelő kölcsönhatási energiák esetén a különböző elméleti modellekkel számolt alfarészecske-indukált hatáskeresztmetszetek több mint egy nagyságrenddel térnek el. Emiatt a reakcióhálózat-számítás igen jelentős magfizikai eredetű bizonytalansággal terhelt, ami meghiúsítja a pontos nukleoszintézis‑szimulációk elvégzését. E bizonytalanság csökkentése céljából méréssorozatot indítottunk az Atommagkutató Intézetben. Az első kísérlet során a 96Zr(α,n)99Mo-reakció hatáskeresztmetszetét vizsgáltuk az asztrofizikai szempontból releváns energiatartományban (Kiss et al., 2021). Ezt a mérést két további kísérlet követte, számos vizsgálat előkészítése pedig folyamatban van.

 

A pontos kísérleti hatáskeresztmetszetek és az azokra támaszkodó elméleti magreakció-modell birtokában megvizsgáltuk a gyenge r-folyamat során végbemenő elemkeletkezést. A szimulációhoz szükséges asztrofizikai paraméterek értékeit nem ismerjük pontosan, ezért az egyes mennyiségek paramétertartományát részekre osztottuk, és a szimulációkat az asztrofizikai bemenő adatok értékeinek számos lehetséges kombinációjával végeztük el. Adott asztrofizikai input adatokkal elvégzett szimulációk – rögzített magfizikai adatok esetén – kirajzolják a nukleoszintézis folyamat ösvényét az atommagtérképen, ezért trajektóriának nevezzük azokat. A különböző asztrofizikai paraméterek kombinációja, azaz különböző trajektóriák esetén a folyamat ösvénye lényegesen eltérő, ezért más és más magreakciók lehetnek fontosak, és a nukleoszintézis-szimulációk igen eltérő elemgyakoriságot eredményeznek. A 3. ábrán 36 elvégzett nukleoszintézis-számítás közül négy különböző trajektóriát használó szimuláció eredményét mutatom be. Például amennyiben a gyenge r-folyamat asztrofizikai környezetét az MC1-nek vagy az MC14-nek nevezett inputok írják le, akkor a folyamat során az Atommagkutató Intézetben vizsgált 96Zr(α,n)99Mo-reakció nem játszik szerepet. Előbbi esetben ugyanis a közeg nagyon neutrongazdag, a folyamat ösvénye a stabil atommagoktól viszonylag messze fut, és még az ón (Z = 50) és cézium (Z = 55) között található magok is létrejönnek. Ezzel szemben az MC14-paraméterezés egy viszonylag neutronszegény közeget feltételez, amelyben számottevő mennyiségben csak igen könnyű r‑magok (Z ≤ 41) keletkeznek.

 

 

 

 

Az Atommagkutató Intézetben kripton és rubídium atommagokon végbemenő alfarészecske-indukált magreakciók vizsgálata van folyamatban. E mérésekhez a céltárgyak a Wigner Fizikai Kutatóközpontban készülnek. Nem csak Magyarországon folynak azonban ilyen kísérletek. Például az Egyesült Államokban East Lansingban és Chicago mellett található egy-egy olyan részecskegyorsító berendezés, amellyel különböző technikákkal, de rövid életidejű atommagokból adott energiájú ionnyaláb készíthető, és így a radioaktív magokon végbemenő alfa-részecske-indukált magreakciók is tanulmányozhatókká váltak. Vizsgáljuk annak a lehetőségét is, hogy Európában a CERN-ISOLDE-laboratóriumban alfa-részecskék rugalmas szórását vizsgálva radioaktív atommagok esetén az elméleti modellek bemenő paramétereit tanulmányozzuk. Reményeink szerint mindezen mérések segítségével a következő néhány évtized során jelentősen pontosabbá válik a tudományos képünk ezen elemkeletkezési folyamatról és az asztrofizikai környezetéről.