Le reazioni nucleari nel sole 5: Ipotesi di reazione di antineutrini con protoni

Il decadimento beta del neutrone si può invertire?

Neutroni decadono in protoni, elettroni e antineutrini:

La emivita del neutrone i 10 minuti 14 secondi. La creazione dell’elettrone richiede un energia di 511 keV. C’è un avanzo di energia di 782,3 keV che si divide in maniera casuale tra le energie cinetiche dell’elettrone e dell’antineutrino. Lo spettro degli impulsi degli elettroni mostra un massimo approssimativamente a metà dell’impulso massimo. Lo spettro delle energie degli elettroni ha un massimo spostato verso energie basse rispetto alla metà dell’energia massima, lo spettro energetico degli antineutrino mostra un massimo spostato verso energie più alte.

(http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/proton.html#c4 )

L’inversione del decadimento beta del neutrone può seguire  vari modi:

                          reazione 1

                               reazione 2

La reazione 1 vuol dire che protoni possono catturare elettroni con un’energia sopra 782,3 keV. L’eventuale eccesso di energia va al neutrino. Nel sole non c’è nessun elettrone con questa energia. Nelle formule delle reazioni è stato considerato che l’assorbimento di un elettrone significa un apporto di energia di 511 keV, corrispondente alla massa di riposo dell’elettrone.

La reazione 2 vuol dire che l’elettrone assorbito può avere qualsiasi energia bassa e che l’energia mancante viene dall’antineutrino.

Perché questa reazione, che trasforma protoni in neutroni non avviene sulla terra? Non si può stabilire che non avvenga. L’esperienza dice solo che è tanto rara che non si nota.

Si può spiegare perché sulla terra è estremamente rara o inesistente: L’elettrone da catturare è sempre l’elettrone legato chimicamente. La sua energia è perfettamente determinata. L’antineutrino deve portare l’energia complementare per arrivare a 782,3 keV. La precisione con cui l’antineutrino deve avere questa energia complimentare è di 10-19eV (si calcola con la relazione di indeterminazione di Heisenberg e dalla vita media del neutrone di 884,4 secondi).

Bisognerebbe sapere qualcosa di più della spettroscopia degli antineutrini che sono in giro dappertutto.

Esaminando la provenienza degli antineutrini si può fare qualche approssimazione grossolana.

Gli antineutrini vengono soprattutto dalle supernovae. Nella prima fase della supernova, quella del collasso, protoni si trasformano in neutroni. In quantità, cioè masse solari abbondanti. Nella seconda fase quella del rimbalzo di neutroni dal nucleo duro, neutroni si incontrano con elementi che cadono verso il nucleo. Questi elementi assorbono i neutroni, anche in numero elevatissimo (“processo R”). Gli elementi che nascono mostrano un grande eccesso di neutroni e fanno decadimenti beta. Ogni decadimento beta produce anche un antineutrino. La tempistica delle emissioni è molto diversa: I neutrini nella prima fase della supernova partono in un tempo dell’ordine di grandezza del decimo di secondo. Gli antineutrini dalla seconda fase hanno la tempistica dei decadimenti beta, all’inizio l’intensità è alta, la coda va fino a tempi lunghissimi, cioè miliardi di anni. Tutte le supernovae dell’universo messo insieme sono sorgente di un flusso relativamente regolare di antineutrini.

Però: Gli antineutrini, prima di arrivare alla terra o al sole devono attraversare nubi di idrogeno di massa galattica. In questi nubi gli elettroni sono legati a atomi di idrogeno. Gli antineutrini con l’energia complementare precisa per essere assorbiti dagli atomi di idrogeno, quando arrivano alla terra o al sole, questa reazione l’hanno già fatta. Si può ipotizzare che gli antineutrini con questa energia precisa manchino nello spettro.

Qualcuno potrebbe esserci ancora e potrebbe trasformare qualche protone sulla terra in un neutrone. Questo fenomeno, se esiste, sparisce nel fondo di neutroni che sono presenti comunque. I neutroni di fondo sulla terra (che sono causa del limite del metodo C14 di circa 40000 anni), nascono dal bombardamento di nuclei leggeri con particelle alfa, che vengono dalle catene di decadimenti dell’uranio 238, dell’uranio 235 e del torio 232. Inoltre vengono da fissioni spontanee dei nuclei pesanti, esempio: uranio 238.

Nel centro del sole le condizioni ambientali non sono quelle della terra.  A 15 milioni di gradi, al centro del sole nessun elettrone è legato a un protone. Gli elettroni si muovono liberamente, le loro energie cinetiche sono quelle dello spettro termico. Il picco dell’energia termica è intorno a 625 eV, ma si trova un numero ancora apprezzabile di elettroni fino a 50 keV. L’energia di questi elettroni da sola è insufficiente per trasformare un protone in un neutrone, ma se un antineutrino porta l’energia mancante, questa trasformazione può succedere. Gli antineutrini con queste energie ci sono. Non hanno traversato nubi di idrogeno caldo. Quelle nubi non ci sono.

Se dall’assorbimento simultaneo di un elettrone e di un antineutrino nasce un neutrone, la prossima reazione è immediata: L’assorbimento dell’neutrone da parte di un protone con la conseguente nascita di un nucleo del deuterio.

L’ipotesi è che questo processo entri in concorrenza con la fusione di due protoni, descritta in precedenza.

Questa reazione potrebbe anche spiegare l’irregolarità del comportamento del sole. Il flusso di antineutrini è irregolare. Le irregolarità istantanee di reazioni all’interno del sole appaiono sulla superficie del sole ridistribuite su circa 100000 anni. Questo può spiegare  perché la costante solare nonostante tutto è abbastanza costante.

Questa reazione potrebbe anche spiegare perché dal sole arrivano molto meno antineutrini di quelli che dovrebbero nascere dalla fusione di due protoni. Le spiegazioni attuali che dicono che i neutrini si trasformano, mancano di conferme sperimentali.

Elmar Pfletschinger

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11 pensieri su “Le reazioni nucleari nel sole 5: Ipotesi di reazione di antineutrini con protoni

  1. uhmmmmm
    Dici che i due processi sono in concorrenza….
    Quanto in percentuale dovrebbero pesare?

    Una idea balzana… un’esplosione di supernova vicina dovrebbe quindi aumentare un pelino la produzione di energia del sole…. Che, per riequilibrarsi si dovrebbe “espandere ” un pelino… Giusto?

    Ciao
    Luca

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  2. @nitopi
    Penso che i due processi possono essere in concorrenza.

    Penso anche che il processo di fusione p-p sia regolare, mentre il processo causato da antineutrini ovviamente dipenda dalle supernovae. Infatti il sole si comporta in maniera notevolmente irregolare. La irregolarità visibile sulla superficie è “lisciata” dal fatto che il viaggio dall’interno del sole fino alla superficie dura da centomila a un milione di anni. Un flusso istantaneo elevato di antineutrini avrebbe come conseguenza un’espansione di lungo termine con un’ampiezza ridotta in proporzione.

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  3. @nitopi

    La partenza dell’idea degli antineutrini era che le spiegazioni per la mancanza di due terzi dei neutrini solari mi sembrano un po’ un arrampicatura sugli specchi.

    Per ogni antineutrino assorbito manca un neutrino. Però il flusso di neutrini secondo l’ipotesi dell’assorbimento di antineutrini non presenterebbe variazioni.

    Creare una correlazione tra espansione solare e flusso di antineutrini non servirebbe a niente. Un’attuale espansione corrisponderebbe a un aumento di antineutrini di molto tempo fa.

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  4. complimenti a elmar per questi bellissimi articoli, che anche se non sn il mio padre quotidiano, apprezzo tantissimo!

    simon

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  5. Adolf, sono un grande fan dell’universo elettrico (e di un modello di funzionamento del sole meno “brutale” e “arretrato” del SSM); perche’ non scrivi tu un articolo per NIA sulle ipotesi di cui si parla nel tuo link?
    In italia molti non leggono l’inglese; una vulgata in italiano sarebbe utile 🙂
    Ciao.

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  6. @elmar
    Parli di 100.000 anni in qualto e’ il tempo “stimato” di passaggio per emissione-riassorbimento di un fotone dall’interno del sole all’esterno….
    Pero’, se e’ il “core” del sole dove avvengono le reazioni, sarebbe quello ad “espandersi”, non tutto il resto….

    Sto solo ragionando ad alta voce….

    Immagina un “flash” di antineutrini (magari provenienti da un SN vicina) che aumentano momentaneamente (un anno??? due???) la produzione energetica del core…
    Per far arrivare il “surplus” alla superficie di vogliono, come hai detto tu, 100.000 anni.

    Nel frattempo il “surplus” resta NEL sole… che si espande (come e quanto … boh??? )

    Continuo a ragionare ad alta voce…

    Se il sole si espande ma non si modifica la quantità di energia irraggiata (perche’ il surplus non e’ ancora arrivato… sta ancora viaggiandoi negli strati interni… ), non potrebbe LA SUPERFICIE DEL SOLE diventare MOMENTANEAMENTE PIU’ FREDDA ???

    Folle idea?

    Ciao
    Luca

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  7. @elmar
    Non so se mi sono spiegato…
    i 100.000 anni sono in stato stazionario…
    In un transitorio potrebbe innescarsi un diverso meccanismo per far “espandere” il sole , non legato al trasporto di energia dal core all’esterno ma “fisicamente” all’espansione dei gas… tipo onde acustiche… (se sono concepibili nel plasma, che gas non è)….

    @ice2020
    Sto seguendo l’evolversi delle macchie e macchiette su SDO… Ti volevo chiedere, i conteggi ufficiali, come sono messi? se continuano con il criterio di un anno fa dovrebbero uscire, adesso, dei numeri da record 😉

    Ciao
    Luca

      (Quote)  (Reply)

  8. @nitopi
    ciao Luca,

    di nuovo mi hai costretto a pensare.

    Il flash di neutrini da una supernova viene dalla prima fase della supernova in cui protoni si trasformano in neutroni. Questo avviene in una frazione di secondo. Gli antineutrini vengono dalla seconda fase in cui neutroni si ritrasformano in protoni. Questo avviene in maniera più lenta, con una coda lunga a causa dei decadimenti beta.

    Se il flusso di antineutrini colpisce il sole questo dovrebbe aumentarne la potenza al centro e questo aumenta la temperatura e quindi la pressione nel centro. Adesso pressione gravitazionale e pressione termodinamica non sono più in equilibrio e il dal centro del sole parte un onda. Non so quale sia la velocità del suono nel sole. Penso che potrebbe essere dell’ordine di grandezza del chilometro al secondo. Questo vorebbe dire che l’espansione arriverebbe in superficie dopo una diecina di giorni. Ripeto: Considerazioni molto grossolane. L’onda di calore invece arriverebbe in superficie dopo più di 100000 anni.

    Quindi hai ragione: Visto che la superficie del sole aumenta, ma la potenza in superficie aumenta molto, molto più tardi, il sole dovrebbe diventare più freddo.

    L’espansione al centro diminuisce la densità e quindi la reattività della reazione p-p diminuisce. C’è una compensazione. La variazione in fin dei conti forse non è un gran che.

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  9. @nitopi

    mi hai fatto venire un’altra idea. Se il flusso di antineutrini da supernovae ha una coda lunga, mentre il flussi di neutrini è a impulsi corti, questo potrebbe essere un mezzo per distinguere se un ammasso di galassie è di materia o di antimateria. Ma putroppo oggi con i metodi di misurazione dei flussi di neutrini e antineutrini non ci siamo ancora.

      (Quote)  (Reply)

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