Într-un articol recent se studiază cum muonii, 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 actuale.

Cum se menține în viață o stea?

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 ca 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 fuziunea nucleară – nu mai reușește să facă față, steaua „moare”. În funcție de masa 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 (milioane de grade) din inima unei stele 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 teoria interacțiunii nucleare (cea care are la bază 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 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 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 nuclear (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 chirală (chiral effective field theory); o teorie care descrie interacțiunea nucleară având la bază 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 urma cărora doi protoni generează un deuteron, un pozitron (antimateria electronului) și un neutrino electronic.

Credit imagine: MuSun collaboration

Articolul: www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2022.1049919/full

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul” Sfântu Gheorghe