Simulan procesos que tienen lugar en las estrellas mediante reacciones nucleares con aceleradores de partículas

Investigadores del Centro Nacional de Aceleradores (Universidad de Sevilla-Junta de Andalucía-CSIC), en colaboración con otras instituciones internacionales, han llevado a cabo medidas en el CNA que simulan los procesos que tienen lugar en las estrellas durante la nucleosíntesis de elementos.

La nucleosíntesis es el proceso de creación de nuevos núcleos atómicos a partir de los nucleones preexistentes, protones y neutrones, para llegar a generar el resto de los elementos de la tabla periódica y sus isótopos. Los nucleones primigenios preexistentes se formaron a partir del plasma de quarks-gluones del Big Bang cuando se enfrió por debajo de los diez millones de grados. A este proceso se le llama nucleogénesis, es decir la formación de nucleones en el Universo.

La consecuente nucleosíntesis de elementos ocurre principalmente en el interior de las estrellas mediante diferentes ciclos de reacciones nucleares hasta la formación del hierro, Fe, núcleo cuya repulsión eléctrica impide nuevas reacciones con otros núcleos a las temperaturas estelares.

A partir del Fe (A=56), y hasta los más pesados (A>200), los elementos y sus diferentes isótopos se forman casi exclusivamente por sucesivas capturas de neutrones y desintegraciones beta de los isótopos radioactivos que se van formando. Cada captura neutrónica da lugar a un nuevo isótopo y cada desintegración beta da lugar a un nuevo elemento.

La nucleosíntesis estelar ocurre en las estrellas durante el proceso de evolución estelar en estados como novas, supernovas, estrellas AGB y aún son muchas las cuestiones a resolver en esta materia.

En el CNA, donde se ha desarrollado la primera fuente de neutrones en España, es posible generar neutrones como aquellos estelares gracias a un método original de los investigadores involucrados en este proyecto. La idea es bombardear un blanco de litio con un haz de protones configurado energéticamente a una cierta distribución. La reacción ⁷Li(p,n) genera de esta manera los neutrones con la distribución energética estelar. Con este método se ha medido la probabilidad de la reacción¹⁸¹Ta(n,ɣ) en ambiente neutrónico estelar (MACS) a kT=30 keV, la energía más importante en nucleosíntesis. Todo el desarrollo experimental se ha realizado en el acelerador Tándem de 3 MV del CNA.

El doctor Javier Praena nos indica que “el método de generación permite obtener neutrones de espectro maxwelliano desde kT=30 a 60 keV”.

El interés de este estudio radica en que el valor de la probabilidad de la reacción ¹⁸¹Ta(n,ɣ) puede influir en cómo se creó este elemento en las estrellas y los elementos más pesados que éste, así como sus cantidades relativas.

Este tipo de espectros son de interés en astrofísica nuclear y validación de datos nucleares en campos como la tecnología nuclear y dosimetría. Si se modifica la energía del protón incidente, se pueden obtener neutrones, a través de la reacción nuclear, ⁷Li(p,n), con la energía que nos interesa.

Mediante códigos de modelación estelar (T, densidad, reacciones nucleares, flujo de neutrones) se intenta reproducir las abundancias en el Universo utilizando la probabilidad de la reacción ¹⁸¹Ta(n,ɣ). Esto ayuda a entender cómo se formó el actual Sistema Solar a partir de estrellas anteriores situadas en esta zona de la Vía Láctea.

La sección eficaz estelar obtenida para el Ta-181 muestra, por ejemplo, que el Hf-181 (T_1/2=42.39 días terrestre pero de solo 1 día en ambiente estelar) es capaz de contribuir a la formación de Ta-181 durante los pulsos térmicos de estrellas AGB.

Estas estrellas son las que se encuentran en el estado de Rama Asintótica Gigante, un periodo de la evolución estelar que experimentan todas las estrellas de masa intermedia al final de sus vidas. Cuando una estrella consume todo el hidrógeno de su núcleo, éste se contrae mientras su temperatura aumenta, lo que provoca que sus capas externas se expandan y se enfríen. La estrella se convierte así en una gigante roja.

Referencias bibliográficas:
“J. Praena, P.F. Mastinu, M. Pignatari, J.M. Quesada, J. García-López, M. Lozano, N. Dzysiuk, R. Capote, G. Martín-Hernández”
“Measurement of the MACS of ¹⁸¹Ta(n,γ) at kT=30 keV as a test of a method for Maxwellian neutron spectra generation”
“Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 727 (2013) 1-6”
http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2013.05.151

“J. Praena, M. Pignatari, P.F. Mastinu, G. Martín-Hernández, G. Prete, J.M. Quesada, M. Sabaté-Gilarte”
“Current quests in nucleosynthesis: present and future neutroninduced reaction measurements”
“EPJ Web of Conferences 66 (2014) 07022”
DOI: 10.1051/epjconf/20146607022