Les physiciens du MIT et d'ailleurs projettent des faisceaux d'ions sur des nuages ​​de protons, comme des fléchettes nucléaires à la vitesse de la lumière, pour cartographier la structure du noyau d'un atome.

L'expérience est une inversion des accélérateurs de particules habituels, qui lancent des électrons sur les noyaux atomiques pour sonder leurs structures. L'équipe a utilisé cette approche de "cinématique inverse" pour tamiser le désordre, influences de la mécanique quantique au sein d'un noyau, fournir une vision claire des protons et des neutrons d'un noyau, ainsi que ses paires corrélées à courte portée (SRC). Ce sont des paires de protons ou de neutrons qui se lient brièvement pour former des gouttelettes super denses de matière nucléaire et qui domineraient les environnements ultradenses des étoiles à neutrons.

Les résultats, publié aujourd'hui dans Physique de la nature , démontrer que la cinématique inverse peut être utilisée pour caractériser la structure de noyaux plus instables, ingrédients essentiels que les scientifiques peuvent utiliser pour comprendre la dynamique des étoiles à neutrons et les processus par lesquels elles génèrent des éléments lourds.

"Nous avons ouvert la porte à l'étude des paires SRC, non seulement dans les noyaux stables mais aussi dans les noyaux riches en neutrons qui sont très abondants dans des environnements comme les fusions d'étoiles à neutrons, " dit le co-auteur de l'étude Or Hen, professeur assistant de physique au MIT. "Cela nous rapproche de la compréhension de ces phénomènes astrophysiques exotiques."

Les co-auteurs de Hen incluent Jullian Kahlbow et Efrain Segarra du MIT, Eli Piasetzky de l'Université de Tel-Aviv, et des chercheurs de l'Université technique de Darmstadt, l'Institut commun de recherche nucléaire (JINR) en Russie, le Commissariat aux énergies alternatives et à l'énergie atomique (CEA), et le GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research en Allemagne.

Un accélérateur inversé

Les accélérateurs de particules sondent généralement les structures nucléaires par diffusion d'électrons, dans lequel des électrons de haute énergie sont projetés vers un nuage stationnaire de noyaux cibles. Lorsqu'un électron frappe un noyau, il assomme les protons et les neutrons, et l'électron perd de l'énergie dans le processus. Les chercheurs mesurent l'énergie du faisceau d'électrons avant et après cette interaction pour calculer les énergies d'origine des protons et des neutrons qui ont été expulsés.

Alors que la diffusion d'électrons est un moyen précis de reconstruire la structure d'un noyau, c'est aussi un jeu de hasard. La probabilité qu'un électron frappe un noyau est relativement faible, étant donné qu'un seul électron est extrêmement petit par rapport à un noyau entier. Pour augmenter cette probabilité, les faisceaux sont chargés avec des densités d'électrons toujours plus élevées.

Les scientifiques utilisent également des faisceaux de protons au lieu d'électrons pour sonder les noyaux, car les protons sont comparativement plus gros et plus susceptibles d'atteindre leur cible. Mais les protons sont aussi plus complexes, et fait de quarks et de gluons, dont les interactions peuvent brouiller l'interprétation finale du noyau lui-même.

Pour avoir une image plus claire, ces dernières années, les physiciens ont inversé la configuration traditionnelle :en visant un faisceau de noyaux, ou des ions, sur une cible de protons, les scientifiques peuvent non seulement mesurer directement les protons et les neutrons désactivés, mais aussi comparer le noyau d'origine avec le noyau résiduel, ou fragment nucléaire, après avoir interagi avec un proton cible.

"Avec cinématique inversée, nous savons exactement ce qui arrive à un noyau lorsque nous enlevons ses protons et ses neutrons, " dit Poule.

Tamisage quantique

L'équipe a adopté cette approche cinématique inversée pour les ultra hautes énergies, en utilisant l'installation d'accélérateur de particules du JINR pour cibler un nuage stationnaire de protons avec un faisceau de noyaux de carbone-12, qu'ils ont tiré à 48 milliards d'électrons-volts, des ordres de grandeur supérieurs aux énergies naturellement présentes dans les noyaux.

A de si hautes énergies, tout nucléon qui interagit avec un proton se démarquera dans les données, par rapport aux nucléons non interactifs qui passent à des énergies beaucoup plus basses. De cette façon, les chercheurs peuvent isoler rapidement toutes les interactions qui se sont produites entre un noyau et un proton.

De ces interactions, l'équipe a ramassé les fragments nucléaires résiduels, à la recherche de bore-11—une configuration de carbone-12, moins un seul proton. Si un noyau a commencé en tant que carbone-12 et s'est terminé en tant que bore-11, cela pourrait seulement signifier qu'il a rencontré un proton cible d'une manière qui a assommé un seul proton. Si le proton cible a assommé plus d'un proton, cela aurait été le résultat d'effets de mécanique quantique au sein du noyau qui seraient difficiles à interpréter. L'équipe a isolé le bore-11 comme signature claire et a jeté tout briquet, fragments influencés quantiquement.

L'équipe a calculé l'énergie du proton éliminé du noyau de carbone-12 d'origine, sur la base de chaque interaction qui a produit le bore-11. Quand ils placent les énergies dans un graphique, le modèle correspond exactement à la distribution bien établie du carbone-12 - une validation de l'inversé, approche à haute énergie.

Ils ont ensuite tourné la technique sur des paires corrélées à courte portée, cherchant à voir s'ils pouvaient reconstruire les énergies respectives de chaque particule dans une paire - des informations fondamentales pour finalement comprendre la dynamique des étoiles à neutrons et d'autres objets denses en neutrons.

Ils ont répété l'expérience et cette fois cherché du bore-10, une configuration de carbone-12, moins un proton et un neutron. Toute détection de bore-10 signifierait qu'un noyau de carbone-12 interagit avec un proton cible, qui a assommé un proton, et son partenaire lié, un neutron. Les scientifiques ont pu mesurer les énergies de la cible et des protons éliminés pour calculer l'énergie du neutron et l'énergie de la paire SRC d'origine.

Dans tout, les chercheurs ont observé 20 interactions SRC et à partir d'eux ont cartographié la distribution des énergies SRC du carbone 12, ce qui correspond bien aux expériences précédentes. Les résultats suggèrent que la cinématique inverse peut être utilisée pour caractériser des paires de SRC dans des noyaux plus instables et même radioactifs avec beaucoup plus de neutrons.

"Quand tout est inversé, cela signifie qu'un faisceau passant pourrait être constitué de particules instables avec des durées de vie très courtes qui vivent pendant une milliseconde, " dit Julian Kahlbow, un post-doctorant conjoint au MIT et à l'Université de Tel-aviv et co-auteur principal de l'article. "Cette milliseconde nous suffit pour la créer, laissez-le interagir, et laisse tomber. Alors maintenant, nous pouvons ajouter systématiquement plus de neutrons au système et voir comment ces SRC évoluent, qui nous aidera à savoir ce qui se passe dans les étoiles à neutrons, qui ont beaucoup plus de neutrons que n'importe quoi d'autre dans l'univers."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.