Запутанные нейтрино могут привести к образованию более тяжелых элементов

Элементы — это строительные блоки всех химических веществ во Вселенной, но как и где образовались различные элементы, до конца не понятно. Новая статья в Astrophysical Journal Профессор физики Университета Висконсин-Мэдисон Баха Балантекин и его коллеги из Центра пограничной физики Network for Neutrino, Nuclear Astrophysics and Symmetry (N3AS) показывают, как запутанные нейтрино могут потребоваться для образования элементов с атомными номерами выше 140 путем захвата нейтронов в процессе средней скорости, или i-процессе.

«Неясно, где образуются химические элементы, и мы не знаем всех возможных способов их получения», — говорит Балантекин. «Мы думаем, что некоторые из них образуются в результате взрывов сверхновых или слияния нейтронных звезд, а многие из этих объектов подчиняются законам квантовой механики, поэтому звезды можно использовать для изучения аспектов квантовой механики».

Что уже известно

Сразу после Большого взрыва было много легких элементов, таких как водород и гелий. Более тяжелые элементы, вплоть до железа (атомный номер 26), продолжали образовываться в результате ядерного синтеза в центрах горячих звезд. Выше железа термоядерный синтез перестает быть энергетически выгодным, и ядерный синтез происходит путем захвата нейтронов, когда нейтроны прилипают к атомным ядрам. При достаточно высоких концентрациях нейтроны могут превращаться в протоны, увеличивая атомный номер элемента на единицу.

Это превращение зависит от нейтрино и антинейтрино. Было установлено, что захват нейтронов происходит медленно (s-процесс, в течение нескольких лет) и быстро (r-процесс, в течение нескольких минут); был предложен промежуточный временной масштаб, или i-процесс, но доказательств в его пользу мало. Быстрый или промежуточный захват нейтронов может происходить только в катастрофических событиях, при которых высвобождается огромное количество энергии, например при распаде сверхновой.

«Когда коллапсирует сверхновая, вы начинаете с большой звезды, которая гравитационно связана, и эта связь обладает энергией», — говорит Балантекин. «Когда она коллапсирует, эта энергия должна высвободиться, и оказалось, что она высвобождается в нейтрино».

Законы квантовой механики говорят, что эти нейтрино могут стать запутанными при взаимодействии в коллапсирующей сверхновой. Запутанность — это когда любые две или более частиц взаимодействуют и затем «запоминают» другие, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга.

«Один из вопросов, который мы можем задать, — запутаны ли эти нейтрино друг с другом», — говорит Балантекин. «Эта работа показывает, что если нейтрино запутаны, то существует новый передовой процесс производства элементов — i-процесс».

Экспериментальные и модельные данные

Для обоснования своих расчетов исследователи использовали два известных факта: хорошо установленные скорости захвата нейтронов и каталоги атомных спектров звезд, которые астрономы собирали десятилетиями, чтобы определить содержание различных элементов. Они также знали, что при коллапсе сверхновой образуется порядка 10⁵⁸ нейтрино — число слишком большое, чтобы использовать его в стандартных расчетах.

Вместо этого они смоделировали до восьми нейтрино и вычислили количество элементов, которые появятся в результате захвата нейтрино, если нейтрино будут запутаны или не запутаны.

«Мы создаем систему, состоящую, скажем, из трех нейтрино и трех антинейтрино, в области, где есть протоны и нейтроны, и смотрим, изменяет ли это что-нибудь в образовании элементов», — говорит Балантекин. «Мы вычисляем содержание элементов, которые образуются в звезде, и видим, что запутанный и незапутанный случаи дают разное содержание».

Моделирование показало, что элементы с атомным номером больше 140, вероятно, будут усилены захватом нейтронов в i-процессе, но только если нейтрино запутаны.

Предостережения и будущая работа

Балантекин отмечает, что эти симуляции — лишь «наметки», основанные на астрономических наблюдениях. Астрофизические исследования требуют использования космоса в качестве лаборатории, а на Земле сложно провести реальные экспериментальные испытания.

«Существует так называемая стандартная модель физики элементарных частиц, которая определяет взаимодействия частиц. Нейтринно-нейтринное взаимодействие — это один из аспектов стандартной модели, который не был проверен в лаборатории, его можно проверить только в астрофизических экстремальных условиях», — говорит Балантекин.

«Но другие аспекты стандартной модели были проверены в лаборатории, так что мы можем предположить, что все это должно работать». Теперь исследователи используют дополнительные астрофизические данные о содержании элементов в экстремальных зонах, чтобы понять, можно ли объяснить это содержание запутанными нейтрино.