Imaginez prendre toute l'eau du lac Michigan - plus d'un quadrillion de gallons - et la presser dans un seau de 4 gallons, le genre que vous trouverez dans une quincaillerie.

Un examen rapide des chiffres suggère que cela devrait être impossible :c'est trop de choses et pas assez d'espace. Mais cette densité étrange est une caractéristique déterminante des objets célestes connus sous le nom d'étoiles à neutrons. Ces étoiles ne font qu'environ 15 miles de diamètre, pourtant, ils détiennent plus de masse que notre soleil grâce à une physique extrême.

Dirigé par des chercheurs de la Michigan State University, une collaboration internationale a maintenant imité les conditions cosmiques d'une étoile à neutrons sur Terre pour mieux sonder cette science extrême. L'équipe a partagé ses résultats dans le journal Lettres d'examen physique .

Pour l'expérimentation, l'équipe a sélectionné l'étain pour aider à créer une soupe nucléaire dense et riche en neutrons, l'aidant à imiter plus fidèlement l'environnement des étoiles à neutrons. L'équipe a accéléré un faisceau composé de noyaux d'étain à près des deux tiers de la vitesse de la lumière au RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science au Japon. La recherche a été financée par l'Office of Nuclear Physics du U.S. Department of Energy Office of Science, ou DOE-SC, et le ministère de l'Éducation, Culture, Des sports, Science et technologie—Japon, ou MEXT, Japon.

Les chercheurs ont envoyé ce faisceau à travers une fine cible d'étain, ou feuille, pour briser ensemble des noyaux d'étain. Les noyaux se brisent et pendant un instant – un milliardième de billionième de seconde – l'épave existe sous la forme d'une région ultra-dense de blocs de construction nucléaires appelés protons et neutrons. Bien que cet environnement soit éphémère, il vit assez longtemps pour créer des particules rares appelées pions (qui se prononce « pie-ons » — le « pi » vient de la lettre grecque π).

En créant et en détectant ces pions, l'équipe permet aux scientifiques de mieux répondre aux questions persistantes sur la science nucléaire et les étoiles à neutrons. Par exemple, ce travail peut aider les scientifiques à mieux caractériser la pression interne qui empêche les étoiles à neutrons de s'effondrer sous leur propre gravité et de devenir des trous noirs.

"L'expérience que nous avons faite ne peut pas se faire ailleurs, sauf à l'intérieur des étoiles à neutrons, " dit Betty Tsang, professeur de sciences nucléaires et chercheur au Laboratoire national du cyclotron supraconducteur, ou NSCL, à MSU.

Malheureusement, les scientifiques ne peuvent pas s'installer à l'intérieur des étoiles à neutrons. En plus des températures fulgurantes et des forces gravitationnelles écrasantes, l'étoile à neutrons la plus proche est à environ 400 années-lumière.

Il y a, cependant, un autre endroit dans l'univers où les scientifiques peuvent observer la matière emballée à une densité aussi incroyable. C'est dans les laboratoires des accélérateurs de particules, où les scientifiques peuvent briser ensemble les noyaux des atomes, ou noyaux, pour presser de grandes quantités de matière nucléaire dans de très petits volumes.

Bien sûr, ce n'est pas du gâteau non plus.

« L'expérience est très difficile, " a déclaré Tsang. " C'est pourquoi l'équipe est si enthousiaste à ce sujet. " Tsang et William Lynch, professeur de physique nucléaire au département de physique et d'astronomie de la MSU, diriger le contingent de chercheurs spartiates de l'équipe internationale.

Pour réaliser leurs objectifs collectifs dans cette étude, les instituts collaborateurs ont chacun fait valoir leurs points forts.

"C'est pourquoi nous accumulons des collaborateurs, " a déclaré Tsang. "Nous résolvons les problèmes en élargissant le groupe et en invitant des gens qui savent vraiment ce qu'ils font."

MSU, qui abrite le programme d'études supérieures en physique nucléaire des États-Unis, a pris l'initiative de construire le détecteur de pions. L'instrument, appelé SπRIT Time Projection Chamber, a été construit avec des collaborateurs de la Texas A&M University et de RIKEN.

L'accélérateur de particules de RIKEN offrait la puissance et les rares noyaux d'étain riches en neutrons nécessaires pour créer un environnement rappelant celui d'une étoile à neutrons. Chercheurs de l'Université Technique, Darmstadt, en Allemagne ont fourni les cibles en étain qui devaient répondre à des spécifications rigoureuses. Étudiants, Personnel, et des professeurs d'autres institutions à travers l'Asie et l'Europe ont aidé à construire l'expérience et à analyser les données.

Cette expérience à l'accélérateur de RIKEN a permis de pousser cette compréhension vers de nouveaux sommets en termes d'énergie et de densité, mais il y a beaucoup plus de défis.

Lorsque l'Installation pour les faisceaux d'isotopes rares, ou FRIB, est opérationnel en 2022, elle aussi promet d'être une plaque tournante de la collaboration internationale en science nucléaire. Et l'installation sera particulièrement bien équipée pour continuer à explorer le comportement des systèmes nucléaires à des énergies et des densités extrêmes.

"Lorsque le FRIB se connecte, cela nous donnera plus de choix de faisceaux et nous permettra de faire des mesures beaucoup plus précises, " dit Tsang. " Et cela nous permettra de mieux comprendre l'intérieur des étoiles à neutrons et de découvrir des choses encore plus intrigantes, plus surprenant."