Procese nucleare cu muoni pentru a înțelege stelele. Stelele cu masă mare trăiesc mai puțin decât cele cu masă mică.

Procese nucleare cu muoni pentru a înțelege stelele. Într-un articol recent se studiază cum muonii, particule asemenatoare electronilor însă cu masa de circa 200 de ori mai mare, sunt capturați de nuclee, pentru a înțelege mai bine reacțiile nucleare care au loc în inima stelelor. Noul studiu are o precizie mai mare decât a datelor experimentale actuale.

Cum se mențin în viață stelele

Stelele se mențin în viață datorită echilibrului dintre două procese care au efecte opuse: atracția gravitațională și procesele nucleare din inima stelelor.

Atracția gravitațională ar avea ca efect, în lipsa altor forțe, colapsul stelei, eventual într-o gaură neagră. Procesele nucleare din inima stelei ar avea că efect – în lipsa gravitației – explozia stelei.

Deci atâta vreme cât cele două forțe opuse se mențin în echilibru steaua este (relativ) stabilă. În momentul în care una dintre cele două – și nu poate fi alta decât fuziune nucleară – nu mai reușește să facă față, staeaua „moare”.

În funcție de masă stelei moartea acesteia poate să fie mai mult sau mai puțin spectaculoasă. Stelele cu masă mare trăiesc mai puțin decât cele cu masă mică. Soarele nostru, de exemplu, va trăi circa 10 miliarde de ani; la ora actuală ne găsim la jumătatea vieții Soarelui.

Procesele nucleare din stele

O stea este în mare parte compusă din nuclee foarte ușoare (cel puțin la început) – în mare parte nuclee de hidrogen, adică de fapt....protoni. La temperaturile extreme din inima unei stele (milioane de grade) aceste nuclee interacționează între ele și dau naștere – în urmă fuziunii nucleare – nucleelor din ce în ce mai grele.

Este vorba despre procese nuclare, descrise de teorie interacțiunii nucleare (cea care are la baza cuarcii și gluonii care formează protonii și neutronii). Și noi am vrea să stăpânim aceste procese de fuziune nucleară – care generează multă energie, prin transformarea unei părți din masa nucleelor care se unesc în energie.

Acest proces ar putea fi folosit în reactoare nucleare bazate pe fuziune; este însă extrem de greu, deoarece generarea condițiilor de fuziune (echivalente cu temperatura di inima stelelor) este încă foarte dificil de realizat. Din punct de vedere al fizicii nucleare încă nu cunoaștem foarte bine toate detaliile; din acest motiv studiul proceselor nuclare, atât slabe cât și puternice, este foarte important.

Captura muonilor pentru a înțelege stelele

Într-un articol publicat recent în Frontiers of Physics un grup de cercetători a studiat captura muonilor în nuclee de deuteriu (un izotop al hidrogenului care conține în nucleu un proton și un neutron).

Muonii sunt particule asemănătoare electronilor, doar că au masa de circa 200 de ori mai mare. Acest proces de captură este asemănător cu cel al procesului nucleare (slab) care implică doi protoni; deci studiul capturii muonilor – care se poate realiza mai ușor în laboratoarele noastre – ne dă informații indirecte asupra proceselor nucleare care au loc în inima stelei.

În urma capturii muonului de către un nucleu de deuteriu se nasc doi neutroni și un neutrino muonic. Cercetătorii au studiat din punct de vedere teoretic acest proces, folosind o teorie efectivă chirala (chiral effective field theory); o teorie care descrie interacțiunea nucleară având la baza simetrii ale naturii, și modul în care acestea sunt „rupte”.

Un pas mai aproape spre înțelegerea stelelor

Rezultatul obținut de cercetători este un calcul cu o precizie de circa 2% a capturii muonilor, precizie care este mai bună decât cea a datelor experimentale pe care le avem la ora actuală în studiul acestui proces.

Noi experimente mai precise ne-ar putea spune dacă teoria descrie rezultatele obținute sau nu.

Acest studiu are implicații asupra modului în care înțelegem interacțiunea protonilor în stele, adică procesul în urmă cărora doi protoni generează un deuteron, un pozitron (antimateria electronului) și un neutrino electronic.

(Credit imagine: MuSun collaboration; Articolul: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2022.1049919/full

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro