Гора защитила превращение фтора в кислород от космической радиации

Физики из коллаборации JUNA провели измерение параметров ядерной реакции, в результате которой фтор захватывает протон и превращается в кислород с испусканием альфа-частицы и гамма-кванта. Особенностью их работы стала высокая степень изоляции эксперимента от космического излучения благодаря большой глубине, на которой располагается лаборатория. Это позволило увеличить точность и диапазон энергий протекания реакции, что в будущем поможет построению корректных астрофизических моделей. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Химический состав вещества, из которого состоим мы и наша планета, обязан своим богатством множеству ядерных реакций, происходящих в звездах. У нас нет возможности измерять звездный нуклеосинтез напрямую, но мы можем строить модели исходя из данных о наблюдении за звездами. С другой стороны, для построения моделей нуклеосинтеза нам нужно знать детали отдельных ядерных реакций, большинство из которых физики изучают в лабораториях.

Однако не все реакции доступны для изучения. К их числу относится реакция, в которой ядро фтора ¹⁹F и протон превращаются в кислород ¹⁶O, альфа-частицу и гамма-квант. Знание о характеристиках этой реакции позволит понять жизненный цикл ядра фтора, чьи сигналы почти не проявляют себя в спектрах, приходящих от звезд. Проблема заключается в том, что лабораторное исследование этой реакции усложняет космическая радиация.

Решением этой проблемы оказался перенос лабораторий под землю. В 2015 году в Китайской подземной лаборатории Цзиньпин был запущен проект JUNA (Jinping Underground Nuclear Astrophysics), призванный исследовать ряд важных астрофизических реакций в условиях низкого фона космических лучей. Лаборатория расположена в недрах горы Цзиньпин на глубине 2400 метров, что позволило уменьшить потоки мюонов и нейтронов, проходящих через нее, на 6 и 4 порядков, соответственно, по сравнению с поверхностью Земли.

Теперь, спустя шесть лет после начала работы, физики коллаборации JUNA представили результаты измерения и обработки эксперимента по превращению фтора в кислород при бомбардировке его пучками протонов с различной энергией. Изоляция от космического излучения позволила им измерить параметры реакции для более широкого энергетического диапазона и с меньшими погрешностями, чем в предыдущих измерениях.

Скорость ядерной реакции в звездах пропорциональна концентрации исходных компонент, их относительной скорости и эффективного сечения. Последняя величина пропорциональна вероятности преодоления кулоновского барьера, умноженной на астрофизический S-фактор, который описывает детали реакции и не всегда известен. Эффективное ядерное сечение растет с ростом скорости и энергии частиц, однако вероятность встретить быстрые частицы уменьшается согласно распределению Максвелла. Перемножение этих двух факторов определяет диапазон энергий, наиболее важных для построения моделей звездного нуклеосинтеза, который носит название «окно Гамова».

Для измерения S-фактора авторы облучали две разные фторовые мишени протонами, разгоняемыми на ускорителе лаборатории вплоть до энергий, равных 400 килоэлектронвольтам. Испускаемое в результате реакции гамма-излучение собиралось с помощью массива Bi₄Ge₃O₁₂-детекторов, покрывавший полный телесный угол вокруг мишени. В спектре излучения, помимо продуктов реакции, присутствовали также следы реакций с ядрами других элементов, загрязняющих сигнал. В частности, при энергиях протонов ниже 88 килоэлектронвольт, что соответствует относительной энергии 72,4 килоэлектронвольта, сигнал превращения фтора заглушался квантами, испущенными при превращении дейтерия в ³He. Это значение физики обозначили в качестве нижнего предела их эксперимента.

Ученые обработали график зависимости выхода гамма-квантов от энергии протонов с помощью пакета geant4. В результате аппроксимации, они извлекли из эксперимента астрофизический S-фактор для всего окна Гамова с неопределенностями, не превышающими нескольких процентов. Физики показали, что для неизмеренного ранее диапазона S-фактор принимает большее значение, нежели его предсказывали на основе экстраполяции в предыдущих работах.

Зная поведение S-фактора, исследователи смогли оценить зависимость скорости реакции от температуры среды, в которой она протекает. Новые данные существенно уменьшают погрешности в этой зависимости, расширив диапазон температур вниз до значения 0,05 гигакельвин, что покрывает условия, протекающие в слабых сверхновых. Эксперимент JUNA показал, что создание лаборатории на большой глубине действительно способно улучшить точность исследования ядерных реакций.

Протонные пучки играют огромную роль в экспериментах по ядерной физике и физике элементарных частиц. Ранее мы уже писали, как с их помощью уточнили барионную плотность Вселенной и измерили асимметрию антикварков.

Марат Хамадеев