La création d'éléments en laboratoire approfondit la compréhension

DOE/Laboratoire national d'Oak Ridge

vidéo : Dans cette animation, une puissante étoile à neutrons, à droite, se nourrit d'une étoile compagne. Les réactions nucléaires à la surface d'une étoile à neutrons peuvent se rallumer, créant un mélange complexe de réactifs.Voir plus

Crédit : Jacquelyn DeMink/ORNL, Département américain de l'énergie

Dirigés par Kelly Chipps du Laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'énergie, les scientifiques travaillant dans le laboratoire ont produit une réaction nucléaire caractéristique qui se produit à la surface d'une étoile à neutrons engloutissant la masse d'une étoile compagne. Leur réalisation améliore la compréhension des processus stellaires générant divers isotopes nucléaires.

"Les étoiles à neutrons sont vraiment fascinantes du point de vue de la physique nucléaire et de l'astrophysique", a déclaré l'astrophysicien nucléaire de l'ORNL, Kelly Chipps, qui a dirigé une étude publiée dans Physical Review Letters. "Une compréhension plus approfondie de leur dynamique peut aider à révéler les recettes cosmiques des éléments dans tout, des personnes aux planètes."

Chipps dirige le Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics, ou JENSA, qui compte des collaborateurs de neuf institutions dans trois pays. L'équipe utilise un système de cible à jet de gaz unique, qui produit le jet d'hélium de la plus haute densité au monde pour les expériences d'accélérateur, pour comprendre les réactions nucléaires qui se déroulent avec la même physique sur Terre que dans l'espace extra-atmosphérique.

Le processus de nucléosynthèse crée de nouveaux noyaux atomiques. Un élément peut se transformer en un autre lorsque des protons ou des neutrons sont capturés, échangés ou expulsés.

Une étoile à neutrons a une immense attraction gravitationnelle qui peut capturer l'hydrogène et l'hélium d'une étoile proche. Le matériau s'accumule à la surface de l'étoile à neutrons jusqu'à ce qu'il s'enflamme lors d'explosions répétées qui créent de nouveaux éléments chimiques.

De nombreuses réactions nucléaires alimentant les explosions restent non étudiées. Maintenant, les collaborateurs de JENSA ont produit l'une de ces réactions nucléaires emblématiques dans un laboratoire de la Michigan State University. Il contraint directement le modèle théorique généralement utilisé pour prédire la formation des éléments et améliore la compréhension de la dynamique stellaire qui génère des isotopes.

Construit à l'ORNL et maintenant à l'Installation pour les faisceaux d'isotopes rares, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE exploitée par MSU, le système JENSA fournit une cible de gaz léger dense, pur et localisé à quelques millimètres près. JENSA fournira également la cible principale du séparateur pour les réactions de capture, ou SECAR, un système de détection du FRIB qui permet aux astrophysiciens nucléaires expérimentaux de mesurer directement les réactions qui alimentent les étoiles qui explosent. Le co-auteur Michael Smith d'ORNL et Chipps sont membres de l'équipe de projet de SECAR.

Pour l'expérience actuelle, les scientifiques ont frappé une cible de particules alpha (noyaux d'hélium-4) avec un faisceau d'argon-34. (Le nombre après un isotope indique son nombre total de protons et de neutrons.) Le résultat de cette fusion a produit des noyaux de calcium-38, qui ont 20 protons et 18 neutrons. Parce que ces noyaux étaient excités, ils ont éjecté des protons et se sont retrouvés sous forme de noyaux de potassium-37.

Des détecteurs de particules chargées à haute résolution entourant le jet de gaz ont mesuré avec précision les énergies et les angles des produits de réaction des protons. La mesure a profité des détecteurs et de l'électronique développés à l'ORNL sous la direction du physicien nucléaire Steven Pain. Tenant compte de la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement, les physiciens ont rétrocalculé pour découvrir la dynamique de la réaction.

"Non seulement nous savons combien de réactions se sont produites, mais nous connaissons également l'énergie spécifique dans laquelle le noyau final de potassium-37 s'est retrouvé, qui est l'un des composants prédits par le modèle théorique", a déclaré Chipps.

L'expérience de laboratoire améliore la compréhension des réactions nucléaires qui se produisent lorsque des matériaux tombent à la surface d'un important sous-ensemble d'étoiles à neutrons. Ces étoiles naissent lorsqu'une étoile massive manque de carburant et s'effondre dans une sphère à peu près aussi large qu'une ville comme Atlanta, en Géorgie. Ensuite, la gravité comprime les particules fondamentales aussi près que possible les unes des autres, créant la matière la plus dense que nous puissions observer directement. Une cuillère à café d'étoile à neutrons pèserait autant qu'une montagne. Les étoiles remplies de neutrons tournent plus vite que les pales du mélangeur et constituent les aimants les plus puissants de l'univers. Ils ont des croûtes solides entourant des noyaux liquides contenant des matériaux en forme de spaghettis ou de lasagnes, ce qui leur a valu le surnom de "pâtes nucléaires".

"Parce que les étoiles à neutrons sont si étranges, elles constituent un laboratoire naturel utile pour tester le comportement de la matière neutronique dans des conditions extrêmes", a déclaré Chipps.

Pour parvenir à cette compréhension, il faut un travail d'équipe. Les astronomes observent l'étoile et collectent des données. Les théoriciens tentent de comprendre la physique à l'intérieur de l'étoile. Les physiciens nucléaires mesurent les réactions nucléaires en laboratoire et les testent par rapport à des modèles et des simulations. Cette analyse réduit les grandes incertitudes résultant d'un manque de données expérimentales. "Lorsque vous mettez toutes ces choses ensemble, vous commencez vraiment à comprendre ce qui se passe", a déclaré Chipps.

"Parce que l'étoile à neutrons est superdense, son énorme gravité peut attirer l'hydrogène et l'hélium d'une étoile compagne. Lorsque ce matériau tombe à la surface, la densité et la température augmentent si haut qu'une explosion thermonucléaire peut se produire et se propager à travers la surface ", a déclaré Chipps. L'emballement thermonucléaire transforme les noyaux en éléments plus lourds. "La séquence de réaction peut produire des dizaines d'éléments."

Les explosions en surface ne détruisent pas l'étoile à neutrons, qui revient à ce qu'elle faisait auparavant : se nourrir de son compagnon et exploser. Des explosions répétées attirent le matériau de la croûte dans le mélange, créant une composition bizarre dans laquelle les éléments lourds formés lors des explosions précédentes réagissent avec de l'hydrogène léger et de l'hélium.

Les modèles théoriques prédisent quels éléments se forment. Les scientifiques analysent généralement la réaction mesurée par l'équipe JENSA à l'aide d'un modèle théorique statistique appelé formalisme Hauser-Feshbach, qui suppose qu'un continuum de niveaux d'énergie excités d'un noyau peut participer à une réaction. D'autres modèles supposent plutôt qu'un seul niveau d'énergie participe.

"Nous testons la transition entre le modèle statistique valide ou invalide", a déclaré Chipps. "Nous voulons comprendre où cette transition se produit. Parce que Hauser-Feshbach est un formalisme statistique - il repose sur un grand nombre de niveaux d'énergie pour que les effets sur chaque niveau individuel soient moyennés - nous cherchons à savoir où cette hypothèse commence à s'effondrer. Pour des noyaux comme le magnésium-22 et l'argon-34, on s'attend à ce que le noyau n'ait pas suffisamment de niveaux pour que cette approche de moyenne soit valide. Nous voulions tester cela."

Restait à savoir si le modèle statistique était valable pour de telles réactions se déroulant dans des étoiles plutôt que dans des laboratoires terrestres. "Notre résultat a montré que le modèle statistique est valable pour cette réaction particulière, et cela supprime une énorme incertitude de notre compréhension des étoiles à neutrons", a déclaré Chipps. "Cela signifie que nous avons maintenant une meilleure compréhension de la façon dont ces réactions nucléaires se déroulent."

Ensuite, les chercheurs tenteront d'améliorer le modèle statistique en testant davantage ses limites. Un article antérieur a exploré la masse atomique 22, un noyau de magnésium, et a trouvé le modèle incorrect de près d'un facteur 10. L'article actuel dirigé par l'ORNL, sondant 12 unités de masse atomique au-dessus de cela, a constaté que le modèle prédisait correctement les taux de réaction.

"Quelque part entre la masse [atomique] 20 et 30, cette transition entre l'endroit où le modèle statistique est valide et l'endroit où il n'est pas valide se produit", a déclaré Chipps. "La prochaine chose est de rechercher des réactions au milieu de cette plage pour voir où cette transition se produit." Chipps et ses collaborateurs JENSA ont commencé cette entreprise.

Le titre de l'article est "Première mesure directe de la section efficace de réaction 34Ar(α,p)37K pour la combustion mixte d'hydrogène et d'hélium dans les étoiles à neutrons en accrétion".

L'Office of Science du DOE, la National Science Foundation et le programme de recherche et de développement dirigés par le laboratoire de l'ORNL ont soutenu les travaux.

UT-Battelle gère l'ORNL pour le Bureau des sciences du Département de l'énergie, le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis. L'Office of Science s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d'informations, veuillez visiter energy.gov/science. — Dawn Levy

Lettres d'examen physique

10.1103/PhysRevLett.130.212701

Étude expérimentale

N'est pas applicable

Première mesure directe contraignant la section efficace de réaction 34 Ar ( α , p ) 37 K pour la combustion mixte d'hydrogène et d'hélium dans des étoiles à neutrons en accrétion

22-mai-2023

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