Nukleáris asztrofizika: csillagot a laborba!

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:

• Az ATOMKI honlapja
• Az ATOMKI nukleáris asztrofizika csoportja
• A LUNA együttműködés
  
• Az LNGS földalatti laboratórium
  
• A hidrogénégés folyamata