元素是宇宙中每一种化学物质的基本组成部分，但是不同的元素是如何以及在哪里形成的还不完全清楚。威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授Baha Balantekin和他在中微子、核天体物理学和对称性网络(N3AS)物理前沿中心的同事们在《天体物理学杂志》上发表了一篇新论文，展示了在中间速率过程或i过程中，通过中子捕获形成大约原子序数为140以上的元素是如何需要纠缠的中微子的。
“化学元素是在哪里产生的还不清楚，我们也不知道所有可能的制造方法，”Balantekin说。“我们相信有些是在超新星爆炸或中子星合并中产生的，其中许多物体都受量子力学定律的支配，所以你可以利用恒星来探索量子力学的各个方面。”
大爆炸后不久，氢和氦等较轻的元素大量存在。更重的元素，直到铁(原子序数26)，继续在热恒星的中心通过核聚变形成。在铁之上，核聚变在能量上不再有利，核合成通过中子捕获发生，中子聚集在原子核上。在足够高的浓度下，中子可以转化为质子，使元素的原子序数增加1。
这种转换依赖于中微子和反中微子。已经发现中子捕获发生缓慢(s-过程，几年)和快速(r-过程，几分钟内);一个中间的时间尺度，或i-process已经被提出，但几乎没有证据支持它。快速或中间中子捕获只能发生在释放大量能量的灾难性事件中，例如超新星坍缩。
Balantekin说:“当一颗超新星发生坍缩时，一颗巨大的恒星会受到引力的束缚，这种束缚会产生能量。”“当它坍塌时，能量必须被释放出来，而事实证明，能量是以中微子的形式释放的。”
量子力学定律表明，这些中微子会纠缠在一起，因为它们在坍缩的超新星中相互作用。纠缠是指任何两个或两个以上的粒子相互作用，然后“记住”其他粒子，不管它们相距多远。
“我们可以问的一个问题是，这些中微子是否相互纠缠，”Balantekin说。“这篇论文表明，如果中微子纠缠在一起，那么就会有一个增强的新元素生产过程，即i过程。”
研究人员使用了两个已知的事实来建立他们的计算:一个是确定的中子捕获率，另一个是恒星原子光谱的目录，这是天文学家几十年来收集的，用来确定不同元素的丰度。他们还知道，超新星坍缩会产生大约1058个中微子，这个数字太大了，无法用于任何标准计算。
相反，他们对多达8个中微子进行了模拟，并计算了在中微子纠缠或不纠缠的情况下，中子捕获将产生的元素丰度。
“我们有一个系统，比如说，三个中微子和三个反中微子一起在一个有质子和中子的区域，看看这是否会改变元素形成的任何东西，”Balantekin说。“我们计算了恒星中产生的元素的丰度，你会发现纠缠或未纠缠的情况会产生不同的丰度。”
模拟表明，原子序数大于140的元素可能会被i过程中子捕获增强——但前提是中微子纠缠在一起。
Balantekin指出，这些模拟只是基于天文观测的“暗示”。天体物理学研究需要将宇宙作为实验室，而在地球上进行真正的实验测试是很困难的。
“有一种叫做粒子物理学标准模型的东西，它决定了粒子的相互作用。中微子与中微子的相互作用是标准模型的一个方面，它还没有在实验室里测试过，它只能在天体物理的极端条件下进行测试，”Balantekin说。
“但标准模型的其他方面已经在实验室进行了测试，所以人们相信它应该都是有效的。”研究人员目前正在使用更多极端环境中元素丰度的天体物理数据，看看这些丰度是否仍然可以用纠缠中微子来解释。
