Într-un articol recent se studiază cum miuonii, particule asemănătoare 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 deținute în prezent.
Cum se menține în viață o stea?
Stelele se mențin în viață datorită echilibrului dintre două procese care au efecte opuse: gravitația și procesele nucleare din inima stelelor. Gravitația ar avea ca efect, în lipsa altor forțe, colapsul stelei, posibil într-o gaură neagră. Procesele nucleare din inima stelei ar avea ca efect – în lipsa gravitației – explozia stelei.
Câtă vreme 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 fuziunea nucleară – nu mai reușește să facă față, steaua „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 protoni. La temperaturile extreme din inima unei stele (milioane de grade) aceste nuclee interacționează între ele și dau naștere – în urma fuziunii nucleare – nucleelor din ce în ce mai grele.
Este vorba despre procese nucleare, descrise de teorie interacțiunii nucleare tari (cea care are la bază quarcurile 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 din 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 nucleare, atât slabe, cât și tari, este foarte important.
Captura miuonilor pentru a înțelege stelele
Într-un articol publicat recent în Frontiers of Physics un grup de cercetători a studiat captura miuonilor în nuclee de deuteriu (un izotop al hidrogenului care conține în nucleu un proton și un neutron). Miuonii 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 nuclear (slab) care implică doi protoni; deci studiul capturii miuonilor – 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 miuonului de către un nucleu de deuteriu se nasc doi neutroni și un neutrino miuonic. Cercetătorii au studiat din punct de vedere teoretic acest proces, folosind teoria câmpului chirală efectivă (eng. 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 miuonilor, precizie care este mai bună decât cea a datelor experimentale pe care le avem la ora actuală din 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 urma căruia doi protoni generează un deuteron, un pozitron (antimateria electronului) și un neutrino electronic.
Credit imagine: MuSun collaboration
