Au Laboratoire National d'Argonne du Département de l'Energie, dans une pièce attenante à l'accélérateur de particules nucléaires ATLAS, Jason Clark est assis sur une plate-forme supérieure pour faire son travail. L'espace exigu nécessite de baisser la tête et de surveiller vos pas pour naviguer. Les particules s'écoulent à travers les tuyaux métalliques qui entrent et sortent de la pièce. Perché au sommet de cette plate-forme en métal, un appareil avec un petit drapeau canadien collé dessus arrache une seule particule du ruisseau, que Clark étudie ensuite pour comprendre l'origine des éléments.

Dans un autre bâtiment à Argonne, dans une salle remplie de serveurs, un supercalculateur nommé BEBOP tourne. La chambre est froide, comme la plupart des salles de serveurs, refroidi par les ventilateurs assourdissants nécessaires pour empêcher les serveurs de surchauffer. Parmi les nombreuses missions de BEBOP, le supercalculateur exécute des simulations programmées par le groupe d'astrophysique nucléaire théorique de Rebecca Surman à l'Université de Notre Dame. Ces simulations complexes informent les recherches de Clark. Les deux collaborent pour trouver les signatures distinctives des éléments lourds.

ATLAS occupe un sous-sol dans l'un des nombreux bâtiments de l'Argonne, avec des flux de particules entrant et sortant de coins géniaux logés par des parpaings. Naviguer dans l'espace demande une attention particulière et un guide connaisseur. Au bout de couloirs impairs et derrière des murs qui minimisent le rayonnement, des expériences avec de nombreux détecteurs de tous types captent des particules à étudier pour les nombreux scientifiques travaillant dans l'installation utilisateur du bureau des sciences d'ATLAS DOE.

"C'est une fenêtre unique sur la physique nucléaire, " note Surman.

Clark effectue son travail principalement dans la salle abritant le CAlifornium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). Ici, Clark et l'équipe de chercheurs qui travaillent avec lui cherchent à comprendre la plus grande question :d'où viennent les éléments plus lourds que le fer ?

Comme Clark l'a noté, "Ce sont les mêmes isotopes qui pourraient être produits dans les fusions de supernovae ou d'étoiles à neutrons." Comprendre la façon dont ces éléments se forment donne un aperçu des processus qui se produisent dans ces événements galactiques. L'intérêt pour ces pièces uniques, les processus fondamentaux qui produisent des éléments lourds conduisent les questions en laboratoire.

Modélisation de la fabrication des éléments

Suivez n'importe quel cours d'astronomie dans n'importe quelle université du pays. Le mantra est toujours le même :des éléments plus légers que le fer se forment dans le noyau des étoiles; des éléments plus lourds que le fer se forment dans les explosions stellaires. Alors que le premier sonne vrai, ce dernier n'est pas toujours, ou du moins pas exclusivement, vrai. Certains de ces éléments plus lourds se forment lorsque les étoiles explosent, mais d'autres processus astrophysiques pas encore complètement compris jouent également un rôle dans la formation de nouveaux éléments.

De nouveaux éléments se forment lorsque des groupes de noyaux, composé de protons et de neutrons, se réunir pour former de nouvelles choses. Former de nouveaux éléments prend de nombreux chemins, utilisant des combinaisons de protons et de neutrons dans des éléments légers et parfois lourds. C'est le processus connu sous le nom de fusion.

Le cas le plus simple de la fusion rassemble deux protons et deux neutrons pour fabriquer de l'hélium. Si vous combinez deux atomes d'hélium, vous obtenez les quatre protons et quatre neutrons constituant un noyau de béryllium. Ce processus, connu sous le nom de nucléosynthèse, continue ainsi dans les noyaux des étoiles, éléments légers s'assemblant pour former des ensembles plus complexes, éléments plus lourds. Cependant, les étoiles ont des limites sur la façon dont elles peuvent fusionner ensemble. Finalement, les étoiles cessent de fusionner les éléments lorsqu'elles arrivent à repasser.

Les recherches de Surman impliquent une « ingénierie inverse » de la formation d'éléments plus lourds que le fer. Ces éléments peuvent se former par des captures rapides de neutrons, faire des combinaisons de neutrons et de protons si extrêmes qu'elles n'ont jamais été vues dans les laboratoires sur Terre. Des noyaux exotiques comme ceux-ci se désintègrent en éléments stables comme l'or et le platine.

"Lorsque les astronomes mesurent les quantités relatives d'éléments lourds dans le système solaire et d'autres étoiles, ils notent que les abondances forment un modèle universel, " expliqua Surman. Cependant, les chercheurs ont eu du mal à identifier de manière concluante quel événement astrophysique provoque ce modèle universel.

L'ingénierie inverse tente d'utiliser ce modèle universel pour "prédire" les propriétés des noyaux exotiques nécessaires pour reproduire ce modèle dans les simulations astrophysiques. Différents événements astrophysiques ont des propriétés caractéristiques différentes telles que la température, densités neutroniques, et d'autres. Chaque prédiction d'ingénierie inverse des données nucléaires produit des propriétés distinctes pour chaque événement astrophysique possible.

Choisir quels processus peut être une tâche ardue. Alors, comment Surman et l'équipe prennent-ils ces décisions ?

Les supercalculateurs aident.

Les modèles mathématiques de nucléosynthèse peuvent être compliqués et trop maladroits pour qu'une personne puisse les parcourir à la main. En réalité, certains modèles sont si compliqués qu'un bâtiment entier rempli d'ordinateurs de bureau ne pourrait pas le faire fonctionner efficacement. Le modèle de Surman requiert ce niveau de complexité.

Avec de petits éléments comme l'hélium, il n'y a qu'un nombre limité de façons de combiner des protons et des neutrons pour former un noyau d'hélium. Au fur et à mesure que les éléments s'alourdissent, les options croissent de façon exponentielle. Surman utilise donc une méthode appelée une chaîne de Markov Monte Carlo pour trier les possibilités.

Si vous entendez "Monte Carlo" et pensez à un casino dans un film de James Bond en particulier, tu n'es pas loin. La méthode porte le nom de ce casino à Monaco. Attacher l'idée à un casino est quelque peu approprié. Les simulations de Monte Carlo produisent une sélection aléatoire de tous les résultats possibles d'un processus compliqué à l'aide de nombres aléatoires, comme le font les machines à sous.

Dans le cas de ce modèle, les combinaisons aléatoires de protons et de neutrons rendent le choix des chemins beaucoup plus simple. Le test peut se dérouler sur un plus large éventail d'options sans qu'un chercheur ne décide de chaque option. Initialement, le groupe de recherche choisit des données nucléaires et des conditions astrophysiques. Ensuite, ils exécutent une simulation de nucléosynthèse avec ces conditions de départ et comparent le modèle d'abondance résultant au modèle universel.

Ensuite, la simulation Monte Carlo introduit des variations dans les masses des noyaux dans le modèle. Pour chaque ensemble de données nucléaires variées, l'équipe réexécute la simulation de nucléosynthèse. Chaque exécution vérifie dans quelle mesure les modèles d'abondance simulés et réels concordent les uns avec les autres et si cette concordance s'est améliorée. Ensuite, ils recommencent le processus et répètent ces étapes jusqu'à ce qu'une excellente correspondance soit trouvée.

"Nous répétons ensuite tout ce processus pour différents environnements astrophysiques, conduisant à des ensembles distincts de masses « rétro-conçues », " a noté Surman.

Pour parvenir à un accord entre les résultats, Surman dit qu'il faut environ 40 passages à travers le modèle. Pour être plus sûr, ils exécutent le modèle 50 fois. À ce moment, ils peuvent aborder la variation avec certitude. Puis, si la variation est testable par la CARIBU, les mesures de ces propriétés nucléaires prises par Clark peuvent aider à répondre à ce mystère de longue date.

Piégeage des particules pour la mesure des masses

La deuxième étape naturelle de la recherche consiste à vérifier expérimentalement les propriétés prédites. Alors que les processus astrophysiques qui produisent des éléments lourds dépassent les capacités de nombreuses installations, les processus modélisés par Surman sont à la portée de la CARIBU. Les résultats de Surman informent le travail de Clark avec la CARIBU.

Le grand nombre de noyaux impliqués dans les processus astrophysiques empêche Clark de choisir aveuglément quels noyaux mesurer. De plus, ATLAS et CARIBU nécessitent des ressources importantes pour fonctionner. Et certaines des particules produites par le CARIBU sont très exotiques et donc très rares.

"Avec une faible production et un faible rendement, il faut juste être très efficace, " Clark a dit de ce défi particulier. Plutôt que de chercher au hasard des résultats qui peuvent ou non être dans des régions idéales, Surman indique dans quelle « région » chercher sans entrer dans les détails.

C'est comme si quelqu'un vous demandait de deviner où il est allé pendant ses vacances d'été. Au lieu de vous donner un globe terrestre et de vous dire de choisir un endroit, ils vous disent qu'ils ont passé du temps sur une plage, réduisant considérablement les possibilités. L'intégrité de la recherche tient toujours, mais les possibilités réduites rendent la recherche plus ciblée. Donc sans cible précise, Clark mène des expériences pour mesurer les masses de noyaux dans la région qui lui est communiquée.

Le processus commence avec CARIBU, qui contient une fine plaque de californium qui produit constamment une gamme d'éléments lourds. Ces éléments lourds sont extraits, séparé, puis dirigé vers l'appareil appelé spectromètre de masse Canadian Penning Trap (CPT).

Assis près du plafond à deux étages, le CPT ronronne, capter les particules nucléaires du cours d'eau. Il accroche un ion lourd avec ses champs magnétiques et électriques. Ensuite, l'appareil mesure la masse de la particule. Une fois les mesures terminées par Clark, ce n'est qu'alors qu'il compare ses notes avec Surman. Idéalement, les résultats correspondraient à ce qui est prédit par le modèle de nucléosynthèse.

Jusque là, les chercheurs ont obtenu des résultats intéressants. Une théorie de longue date a prédit qu'un événement d'impact de masse élevée tel que la fusion de deux étoiles à neutrons pourrait fournir les bonnes conditions pour fabriquer des éléments lourds. En août 2017, un groupe de chercheurs du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a détecté un événement qui serait plus tard identifié comme une fusion d'étoiles à neutrons. La détection de cet événement a confirmé que les fusions d'étoiles à neutrons produisent des éléments lourds comme ceux étudiés par Surman et Clark.

Pour mieux comprendre ce processus, Clark et Surman ont étudié les isotopes du samarium et du néodyme. Comme d'habitude, Surman a utilisé son modèle de nucléosynthèse de « reverse engineering » et Clark a mesuré les masses de particules avec le CPT. Les résultats ont bien convergé, montrant que les masses à la fois prédites et mesurées étaient cohérentes avec les éléments produits par une fusion d'étoiles à neutrons. Clark et Surman cherchent à approfondir cette question à mesure que la recherche avance.

Comme Clark l'a noté, mener ces expérimentations nécessite efficacité et approche ciblée. Alors que CARIBU a été utile pour sonder certains de ces environnements possibles pour la fabrication d'éléments, la capacité de sonder des éléments plus lourds sera utilisée pour approfondir cette recherche. Ces recherches peuvent aider à cibler des expériences sur de futurs accélérateurs de physique nucléaire tels que la future Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), qui devrait commencer à mener des expériences en 2022.

La science nucléaire fondamentale sur la façon dont les éléments lourds peuvent se former constitue un tremplin pour comprendre l'origine des éléments. Chaque essai expérimental se rapproche d'une compréhension plus profonde de la nucléosynthèse. Mais sans répondre à la question de savoir comment des éléments lourds peuvent se former, cet objectif ultime n'est pas réalisable.

"Nous voulons comprendre toute la physique nucléaire, " Surman a dit, "et au cœur se trouve le besoin de comprendre ce problème."