Comment les éléments chimiques, les briques de notre univers, se faire construire ? Cette question est au cœur de la physique nucléaire depuis près d'un siècle.

Au début du 20e siècle, les scientifiques ont découvert que les éléments ont un noyau central ou un noyau. Ces noyaux sont constitués de nombres variés de protons et de neutrons.

Maintenant, des scientifiques de la Michigan State University's Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) ont construit et testé un appareil qui permettra d'obtenir des informations essentielles sur les éléments lourds, ou des éléments avec un très grand nombre de protons et de neutrons. Ben Kay, physicien au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), dirigé cet effort. FRIB est une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Kay et son équipe ont terminé leur première expérience en utilisant l'appareil, appelé SOLARIS, qui signifie Solenoid Spectrometer Apparatus for Reaction Studies. Les expériences prévues révéleront des informations sur les réactions nucléaires qui créent certains des éléments les plus lourds de notre monde, allant du fer à l'uranium.

Des expériences avec des isotopes exotiques sont également prévues. Les isotopes sont des éléments qui partagent le même nombre de protons mais ont un nombre différent de neutrons. Les scientifiques qualifient certains isotopes d'exotiques parce que leurs rapports protons/neutrons diffèrent de ceux des isotopes généralement stables ou à longue durée de vie qui se produisent naturellement sur Terre. Certains de ces isotopes instables jouent un rôle essentiel dans les événements astronomiques.

"Étoiles qui explosent, la fusion d'étoiles géantes effondrées, nous apprenons maintenant des détails sur les réactions nucléaires au cœur de ces événements, " dit Kay. " Avec SOLARIS, nous sommes capables de recréer ces réactions ici, sur Terre, de les voir par nous-mêmes."

Le nouvel appareil suit les traces d'HELIOS, le spectromètre à orbite hélicoïdale, à Argonne. Les deux utilisent des aimants supraconducteurs réutilisés de la même manière à partir d'un appareil d'imagerie par résonance magnétique (IRM) comme celui que l'on trouve dans les hôpitaux. À la fois, un faisceau de particules est tiré sur un matériau cible à l'intérieur d'une chambre à vide. Lorsque les particules entrent en collision avec la cible, des réactions de transfert se produisent. Dans de telles réactions, les neutrons ou les protons sont soit retirés, soit ajoutés des noyaux, selon les particules, et leurs énergies, utilisé dans la collision.

"En enregistrant l'énergie et l'angle des différentes particules qui sont libérées ou déviées des collisions, nous sommes en mesure de recueillir des informations sur la structure des noyaux de ces isotopes, " a déclaré Kay. " La conception innovante de SOLARIS fournit la résolution nécessaire pour améliorer notre compréhension de ces noyaux exotiques. "

Ce qui rend SOLARIS vraiment unique, c'est qu'il peut fonctionner comme un spectromètre bimode, ce qui signifie qu'il peut effectuer des mesures avec des faisceaux de haute ou de très basse intensité. « SOLARIS peut fonctionner dans ces deux modes, " expliqua Kay. " On utilise un réseau de détecteurs au silicium traditionnel dans le vide. L'autre utilise la nouvelle cible remplie de gaz de la chambre de projection temporelle à cible active de l'État du Michigan, dirigée par Daniel Bazin, membre de l'équipe SOLARIS et physicien senior de la FRIB. Cette première expérience a testé l'AT-TPC." L'AT-TPC permet aux scientifiques d'utiliser des faisceaux plus faibles tout en collectant des résultats avec la grande précision nécessaire.

L'AT-TPC est essentiellement une grande chambre remplie d'un gaz qui sert à la fois de cible pour le faisceau et de milieu de détection. Cela diffère de la chambre à vide traditionnelle qui utilise un réseau de détecteurs au silicium et un mince, cible solide.

"En remplissant la chambre de gaz, vous veillez à ce que moins, les plus grosses particules du faisceau de faible intensité entreront en contact avec le matériau cible, " dit Kay. De cette façon, les scientifiques peuvent alors étudier les produits de ces collisions.

La première expérience de l'équipe, dirigé par l'attachée de recherche Clémentine Santamaria du FRIB, a examiné la désintégration de l'oxygène-16 (l'isotope le plus courant de l'oxygène sur notre planète) en particules alpha beaucoup plus petites. En particulier, les huit protons et huit neutrons des noyaux d'oxygène-16 se décomposent en un total de quatre particules alpha, chacun composé de deux protons et de deux neutrons.

"En déterminant comment l'oxygène-16 se désintègre comme ceci, des comparaisons peuvent être faites avec celle de l'État de Hoyle, ' un état excité d'un isotope du carbone qui, selon nous, joue un rôle clé dans la production de carbone dans les étoiles, " expliqua Kay.

Kay et son équipe ont enregistré plus de deux millions d'événements de réaction au cours de cette expérience et ont observé plusieurs cas de désintégration de l'oxygène-16 en particules alpha.

La double fonctionnalité de SOLARIS permettra une gamme encore plus large d'expériences de réactions nucléaires qu'auparavant, et donner aux scientifiques de nouvelles perspectives sur certains des plus grands mystères du cosmos.