Les noyaux dont les masses sont connues expérimentalement se trouvent à gauche d'une ligne jaune. A gauche de la ligne rouge se trouvent les noyaux qui ont été observés expérimentalement. Ceux qui attendent d'être découverts se trouvent à droite de la ligne. La limite d'existence calculée de l'équipe (probabilité supérieure à 50 %) est indiquée par la ligne bleue. Au-delà de cette ligne, les neutrons ne peuvent plus être liés au noyau. La ligne de goutte à goutte serpente verticalement le long des masses nucléaires paires et impaires, car les paires de neutrons produisent des isotopes plus stables que les neutrons non appariés. Crédit :Université d'État du Michigan
Une collaboration entre le Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) et le Department of Statistics and Probability (STT) de la Michigan State University (MSU) a estimé les limites de l'existence nucléaire en appliquant une analyse statistique aux modèles nucléaires, et évalué l'impact des expériences FRIB actuelles et futures.
Plus de 99,9% de l'univers visible est constitué de 286 isotopes stables. Cependant, la force nucléaire permet beaucoup plus instable, les isotopes radioactifs existent. Cette instabilité vient souvent de la difficulté de maintenir la cohésion lorsqu'il y a beaucoup plus de neutrons que de protons dans un noyau donné. Nous n'observerons peut-être jamais la plupart de ces isotopes instables, mais ces habitants éphémères des frontières nucléaires comptent :ils régissent les processus dans les étoiles qui créent tout ce qui nous entoure, et de quoi nous sommes faits.
Il ya plus d'un an, FRIB et STT à MSU ont formé une nouvelle collaboration entre la physique nucléaire et les sciences statistiques. Cette collaboration, dirigé par le co-recrutement du chercheur en statistique Dr. Léo Neufcourt, est né pour amener la physique nucléaire et les statistiques à travailler ensemble sur la construction de modèles prédictifs qui répondront à des questions fondamentales sur les isotopes rares.
À la lumière de la découverte récente de huit nouveaux isotopes rares des éléments phosphore, soufre, chlore, argon, potassium, scande, et le calcium (les isotopes les plus lourds de ces éléments jamais trouvés), l'équipe FRIB/STT a estimé les limites de l'existence nucléaire dans la région du calcium avec une quantification complète des incertitudes, évaluer l'impact de la découverte expérimentale sur la recherche sur la structure nucléaire. L'ouvrage est publié dans Lettres d'examen physique .
Le groupe a utilisé un cadre statistique appelé apprentissage machine bayésien, où les paramètres et prédictions du modèle statistique sont obtenus sous la forme d'une probabilité a posteriori. En substance, ce cadre permet d'utiliser de nouvelles données (preuves) pour estimer la probabilité de certains résultats connexes. La méthodologie qu'ils emploient est expliquée dans un document conjoint de Examen physique C . Après une analyse individuelle de plusieurs modèles nucléaires, leurs prédictions sont combinées à l'aide de poids bayésiens basés sur la capacité de chaque modèle à tenir compte des découvertes les plus récentes.
En utilisant les dernières données de masse et la preuve de l'existence de chlore, l'argon et le soufre ainsi que ce que l'on sait actuellement sur les noyaux existants, les chercheurs ont appliqué une approche bayésienne avec des modèles de théorie nucléaire pour prédire quels pourraient être les nouveaux noyaux lourds, et avec quelle probabilité ils pourraient exister. Cette analyse est une forme de ce que l'on appelle parfois l'apprentissage automatique supervisé. L'algorithme reçoit d'abord des modèles nucléaires et des informations sur les noyaux trouvés expérimentalement. Il explore une myriade de possibilités mais se concentre ensuite sur les plus pertinentes compte tenu des données expérimentales actuelles. La méthodologie permet aux chercheurs de quantifier les incertitudes de leurs prédictions avec précision et fiabilité.
En cette matière, ils estiment que les isotopes de calcium plus lourds, jusqu'au calcium-70, pourrait exister (voir figure). D'après ces résultats, le calcium-68, par exemple, est susceptible d'exister à 76 pour cent. Cette estimation peut changer à mesure que les scientifiques découvrent de nouveaux isotopes dans la même région, que l'équipe utilisera pour mettre à jour ses prévisions. À l'avenir, FRIB permettra aux scientifiques de créer potentiellement du calcium-68 ou même du calcium-70.
L'équipe travaille sur plusieurs autres utilisations de l'apprentissage machine bayésien avec des applications à la physique nucléaire, dont un projet d'étalonnage du faisceau de particules dans l'accélérateur FRIB. La méthodologie devrait avoir des applications directes dans les domaines qui ont besoin de données quantifiées à partir d'extrapolations basées sur des modèles, comme l'astrophysique nucléaire.
