Verschränkte Neutrinos können zur Bildung schwererer Elemente führen

Elemente sind die Bausteine ​​jeder chemischen Substanz im Universum, aber wie und wo die verschiedenen Elemente entstanden, ist noch nicht vollständig geklärt. Ein neuer Artikel in Das Astrophysikalische Journal von Baha Balantekin, Physikprofessor an der University of Wisconsin–Madison, und Kollegen vom Network for Neutrinos, Nuclear Astrophysics, and Symmetries (N3AS) Physics Frontier Center, zeigt, wie verschränkte Neutrinos für die Bildung von Elementen über ungefähr der Ordnungszahl 140 durch Neutroneneinfang in einem Prozess mittlerer Geschwindigkeit oder i-Prozess erforderlich sein könnten.

„Es ist nicht klar, wo die chemischen Elemente entstehen, und wir kennen nicht alle möglichen Entstehungswege“, sagt Balantekin. „Wir glauben, dass einige bei Supernova-Explosionen oder Neutronenstern-Kollisionen entstehen, und viele dieser Objekte unterliegen den Gesetzen der Quantenmechanik. Man kann also die Sterne nutzen, um Aspekte der Quantenmechanik zu erforschen.“

Was bereits bekannt ist

Unmittelbar nach dem Urknall gab es viele leichtere Elemente wie Wasserstoff und Helium. Schwerere Elemente bis hin zu Eisen (Ordnungszahl 26) entstanden weiterhin durch Kernfusion in den Zentren heißer Sterne. Oberhalb von Eisen ist die Fusion energetisch nicht mehr günstig und die Kernsynthese erfolgt durch Neutroneneinfang, bei dem sich Neutronen an Atomkerne binden. Bei ausreichend hoher Konzentration können sich Neutronen in Protonen umwandeln, wodurch die Ordnungszahl des Elements um eins erhöht wird.

Diese Umwandlung ist von Neutrinos und Antineutrinos abhängig. Neutroneneinfang kann langsam (s-Prozess, über Jahre) und schnell (r-Prozess, innerhalb von Minuten) erfolgen. Eine mittlere Zeitspanne, der i-Prozess, wurde vorgeschlagen, aber es gibt nur wenige Belege dafür. Schneller oder mittlerer Neutroneneinfang kann nur bei Katastrophen stattfinden, bei denen große Energiemengen freigesetzt werden, wie zum Beispiel beim Kollaps einer Supernova.

„Wenn es zu einem Supernova-Kollaps kommt, beginnt man mit einem großen Stern, der durch die Schwerkraft gebunden ist, und diese Bindung hat Energie“, sagt Balantekin. „Wenn er kollabiert, muss diese Energie freigesetzt werden, und es stellt sich heraus, dass Energie in Form von Neutrinos freigesetzt wird.“

Die Gesetze der Quantenmechanik besagen, dass diese Neutrinos sich verschränken können, weil sie in der kollabierenden Supernova miteinander interagieren. Verschränkung liegt vor, wenn zwei oder mehr beliebige Teilchen miteinander interagieren und sich dann an die anderen „erinnern“, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.

„Eine Frage, die wir uns stellen können, ist, ob diese Neutrinos miteinander verschränkt sind oder nicht“, sagt Balantekin. „Dieses Papier zeigt, dass, wenn die Neutrinos verschränkt sind, ein verstärkter neuer Prozess der Elementproduktion stattfindet, der i-Prozess.“

Die experimentellen und simulierten Beweise

Die Forscher stützten sich bei ihren Berechnungen auf zwei bekannte Fakten: gut bekannte Neutroneneinfangraten und Kataloge der Atomspektren von Sternen, die Astronomen über Jahrzehnte hinweg gesammelt haben, um die Häufigkeit verschiedener Elemente zu ermitteln. Sie wussten auch, dass bei einem Supernova-Kollaps etwa 1058 Neutrinos entstehen, eine Zahl, die viel zu groß ist, um sie in Standardberechnungen zu verwenden.

Stattdessen führten sie Simulationen mit bis zu acht Neutrinos durch und berechneten die Häufigkeit der Elemente, die durch Neutroneneinfang entstehen würden, wenn die Neutrinos verschränkt wären oder nicht.

„Wir haben ein System von, sagen wir mal, drei Neutrinos und drei Antineutrinos in einem Bereich, in dem es Protonen und Neutronen gibt, und schauen, ob das etwas an der Elementbildung ändert“, sagt Balantekin. „Wir berechnen die Häufigkeit der Elemente, die im Stern entstehen, und sehen, dass die Häufigkeiten je nach verschränkten und nicht verschränkten Elementen unterschiedlich sind.“

Die Simulationen zeigten, dass bei Elementen mit einer Ordnungszahl über 140 die Neutroneneinfangrate im i-Prozess wahrscheinlich erhöht ist – allerdings nur, wenn die Neutrinos verschränkt sind.

Vorbehalte und zukünftige Arbeit

Balantekin weist darauf hin, dass diese Simulationen lediglich „Hinweise“ auf der Grundlage astronomischer Beobachtungen seien. Für die astrophysikalische Forschung muss der Kosmos als Labor genutzt werden, und es ist schwierig, echte experimentelle Tests auf der Erde durchzuführen.

„Es gibt etwas, das man das Standardmodell der Teilchenphysik nennt und das die Wechselwirkung von Teilchen bestimmt. Die Neutrino-Neutrino-Wechselwirkung ist ein Aspekt des Standardmodells, der nicht im Labor getestet wurde, sondern nur in astrophysikalischen Extremen getestet werden kann“, sagt Balantekin.

„Aber andere Aspekte des Standardmodells wurden im Labor getestet, sodass man davon ausgeht, dass es alles funktionieren sollte.“ Die Forscher verwenden derzeit weitere astrophysikalische Daten zur Elementhäufigkeit in extremen Umgebungen, um zu sehen, ob diese Häufigkeiten weiterhin durch verschränkte Neutrinos erklärt werden können.