Nukleáris asztrofizika: csillagot a laborba!

2007. december 9, vasárnap

1837

A
csillagászat iránt érdeklődő olvasó
számára valószínűleg jól ismert
az a tény, hogy a csillagok magreakciók révén
termelik energiájukat. Az energiatermelés folyamatának
és ezzel együtt a csillag működésének
megértéséhez ezeket a magreakciókat kell
vizsgálnunk. A nukleáris asztrofizika, mint a
magfizikán alapuló, ám azon túlmutató
önálló tudományterület éppen
ezzel a témával, a csillagokban lejátszódó
magreakciók tanulmányozásával
foglalkozik. Az alábbiakban egy konkrét példán,
a hélium két stabil izotópjának, a ³He
és ⁴He magoknak a fúziós reakcióján keresztül szeretném
bemutatni a kísérleti nukleáris asztrofizikai
kutatások jellegzetességeit.

A
Nap és a hozzá hasonló fősorozati csillagok
döntő részben az úgynevezett pp-lánc
reakcióin keresztül termelik az energiát. A
folyamat során 4 protonból egy ⁴He atommag
jön létre, miközben jelentős energia felszabadulása
mellett két pozitron és két neutrínó
is keletkezik. A folyamat több lépésben zajlik le,
a három legfőbb lehetséges reakciólánc
lépéseit az alábbi ábra szemlélteti. Az első
két lépés után a ³He + ³He,
illetve a ³He + ⁴He reakciók versengése
szabja meg, hogy a folyamat az első, vagy pedig a második és
harmadik pp-lánc irányába folytatódik-e
tovább. Ahhoz, hogy ki tudjuk számítani a
Napban lejátszódó reakciók relatív hozzájárulását a teljes energiatermeléshez, ismernünk kell azok sebességét, ami viszont a reakciók magfizikai valószínűségéből származtatható. Ezt a valószínűséget a magfizikusok az
ún. hatáskeresztmetszet paraméterével szokták
megadni. A kulcs tehát Napunk energiatermelésének megértéséhez az adott reakciók, esetünkben az alábbiakban tárgyalt ³He + ⁴He
folyamat hatáskeresztmetszetének a mérése.

A Nap hidrogénégési folyamatának
reakciói.

Az
atommagok pozitív töltésű részecskék,
így elektrosztatikus taszítóerők lépnek fel közöttük. Két atommag csak úgy képes reakcióba lépni, ha a taszítást legyőzve ütköznek. Laboratóriumi körülmények között
ezt részecskegyorsító segítségével
érhetjük el. A két vizsgálni kívánt
atommag egyikét nagy energiára felgyorsítjuk és
beleütköztetjük egy céltárgyba, ami a
másik atommagot tartalmazza. Ekkor lejátszódhat
a tanulmányozni kívánt magreakció és a keletkező részecskék
vagy sugárzás detektálásával a
folyamat részleteiről információt nyerhetünk,
meghatározhatjuk például a reakció
hatáskeresztmetszetét.

Ez
így viszonylag egyszerűen hangzik, azonban részletesebben
megvizsgálva a dolgot rögtön szembesülünk
a kísérleti nukleáris asztrofizikai kutatások
legfőbb problémájával. A csillagok azért
képesek évmilliárdokig fenntartani működésüket,
mert bennük a magreakciók igen lassan, nagyon alacsony
hatáskeresztmetszettel játszódnak le. A Napban
például átlagosan 10¹⁷ darab ³He
+ ⁴He ütközésből csak egy esetben
játszódik le a fúziós reakció. Az
ilyen alacsony hatáskeresztmetszetű reakciók
vizsgálata komoly kihívást jelent a kísérleti
fizikus számára.

A debreceni Atommagkutató Intézet
nukleáris asztrofizikai témában dolgozó
munkacsoportjának tagjai az elmúlt években részt
vettek a ³He + ⁴He reakció vizsgálatában
nemzetközi együttműködés keretein belül.
A kísérlet néhány aspektusa jól
példázza a nukleáris asztrofizikai mérések
sajátosságait, így az alábbiakban a
kísérlet részleteiről számolok be
röviden.

Magfizikai
szemszögből a csillagok belseje alacsony hőmérsékletű.
A Nap középpontjában mintegy 15 millió fok
a hőmérséklet, míg egy szupernóva-robbanásban akár több milliárd fok is
előfordulhat, mégis ha ezt a hőmérsékletet
lefordítjuk az atommagok mozgási energiájára,
akkor magfizikai összehasonlításban alacsony
energiát kapunk (ez az egyik oka egyébként
annak, hogy a csillagok belsejében a magreakciók lassan
zajlanak le). Így a laboratóriumi vizsgálatainkat
is alacsony energián kell elvégeznünk, tehát
ilyen energiát szolgáltató részecskegyorsítóra
van szükség.

Az Appeninek legmagasabb csúcsa alatt 1400 m mélyen található 400 kV-os LUNA gyorsító.

Kísérleteinket Olaszországban
egy 400 kV maximum feszültségű elektrosztatikus
gyorsítóval végeztük. A világban ezerszer vagy akár milliószor nagyobb
energiát előállító gyorsítók
is működnek, tehát a mi berendezésünk
valóban kicsinek tekinthető. Ez a gyorsító
szolgáltatta számunkra a szükséges ⁴He
részecskenyalábot, amivel bombáztunk egy ³He
céltárgyat. Mivel a ³He egy nemesgáz
izotópja, gáz halmazállapotú céltárgy
használata volt szükséges, ami különleges
kísérleti technikát igényel. Ahhoz, hogy
az alacsony hatáskeresztmetszetet mérni tudjuk, sokszor
„kell próbálkoznunk”, tehát sok ³He
+ ⁴He ütközést kell létrehoznunk.
Ez nagy intenzitású részecskenyaláb
használatával érhető el. Esetünkben a
gyorsító által szolgáltatott nyaláb
intenzitása körülbelül 300 mikroamper volt
(elektromos egységekben kifejezve az egyszeresen töltött
⁴He ionok alapján), ami azt jelenti, hogy a
céltárgyunkat másodpercenként mintegy
2×10¹⁵ ion bombázta.

A
két atommag fúziójából a berillium
7-es tömegszámú izotópja keletkezik, és
a folyamatot jól meghatározott energiájú
gammasugárzás kibocsátása kíséri.
Ezen gammasugárzás detektálása jelenti a
reakció hatáskeresztmetszet-mérésének
egyik lehetőségét. A ⁷Be izotóp
radioaktív, 53 napos felezési idővel ⁷Li
izotóppá bomlik gammasugárzás
kibocsátása kíséretében. Ennek a
bomlásnak az észlelése adja a
hatáskeresztmetszet-mérés másik
lehetőségét. Mindkét esetben a gammasugárzás
detektálása a feladat, aminek azonban igen kicsi az intenzitása a reakció lejátszódásának
alacsony valószínűsége miatt. Átlagos körülmények között
a kozmikus sugárzásból és a földi
anyagok radioaktivitásából származó
természetes háttérsugárzás
intenzitása több nagyságrenddel meghaladja a
fúziós reakcióból származó
sugárzásét, lehetetlenné téve így
a sikeres vizsgálatot.

Fontos feladat tehát a
háttérsugárzás valamilyen módszerrel
történő leárnyékolása, ami a
kozmikus sugárzás esetén nagyon nehéz
feladat, mert a világűrből érkező nagy energiájú
sugárzásnak igen nagy az áthatolóképessége.
Erre a problémára kínál megoldást
a kísérlet föld alá telepítése. Olaszországban, az Appeninekhez tartozó Gran Sasso csúcsa alatt működik a világ legnagyobb föld alatti részecskefizikai és nukleáris asztrofizikai kutatóintézete, amely felett a mintegy 1400 méter vastag szikla sok nagyságrenddel csökkenti a kozmikus eredetű sugárzást. A kiváló
feltételeket nyújtó laboratóriumban üzemelteti a LUNA (Laboratory for Underground
Nuclear Astrophysics) nemzetközi együttműködés a méréseinkhez használt gyorsítót, amivel
több asztrofizikailag nagy jelentőségű magreakció
sikeres vizsgálata után a ³He + ⁴He
reakciót tanulmányoztuk.

A
³He + ⁴He reakció hatáskeresztmetszetét mindkét
fent említett módszerrel megmértük. A
gammasugárzás észlelésére
használt detektort a környezeti radioaktív
sugárzás (ami a földalatti laboratóriumban is jelen van) csökkentése érdekében speciálisan kialakított árnyékolással
vettük körül, aminek köszönhetően az emberi test természetes belső radioaktivitásánál is több nagyságrenddel kisebb gamma-aktivitásokat sikerült nagy pontossággal megmérnünk. Az alábbi fotó a
⁷Be bomlásának mérésére
használt árnyékolt gammadetektort mutatja.

A ⁷Be bomlásának mérésére
használt árnyékolt gammadetektor.

A
természetes radioaktivitás kiszűrésén
túl azonban fontos az is, hogy elkerüljük az
esetleges nyaláb általi háttérsugárzást.
A céltárgyban és a gyorsító
különböző szerkezeti elemeiben lehetnek olyan
szennyező anyagok, amiket ha eltalál a nyaláb, akkor
az zavaró háttérsugárzást
eredményez. Így tehát különös
gondot fordítottunk arra, hogy minden, a nyaláb útjába
kerülő anyag nagy tisztaságú legyen. A megfelelő
anyagok kiválasztásához a debreceni
Atommagkutató Intézetben is végeztünk
tesztméréseket.

A földalatti laboratórium által nyújtott egyedülálló feltételeknek, valamint a körültekintő kísérleti kivitelezésnek köszönhetően a ³He + ⁴He fúziós reakció hatáskeresztmetszetének értékét sikerült minden eddigi mérésnél alacsonyabb energián meghatároznunk, megközelítve a Nap centrális hőmérsékletére jellemző energiatartományt. A lehetséges szisztematikus hibaforrások kiküszöbölésével a méréseket nagy pontossággal, mintegy 4%-os hibával végeztük, szemben a korábbi legalacsonyabb energiás mérésekre jellemző 15% fölötti hibákkal. Eredményeinkkel a Nap ⁸B neutrínófluxusának a ³He + ⁴He reakcióból származó hibája 8%-ról mintegy 2,5%-ra csökkent, ami a standard napmodell ellenőrzése, illetve a földi neutrínó-detektorok méréseinek értelmezése szempontjából rendkívül jelentős.

Linkajánló: