Les scientifiques peuvent utiliser les rayons de charge d’une paire de noyaux miroirs comme un moyen d’étudier la nature des étoiles à neutrons. Cette paire est montrée dans l’illustration dans le miroir. Crédit : Installation pour les faisceaux d’isotopes rares
La théorie et les expériences développées dans l’État du Michigan utilisent des «noyaux miroirs» pour sonder la physique fondamentale des atomes et des étoiles à neutrons.
Il y a environ 20 ans, B. Alex Brown de la Michigan State University a eu l’idée de révéler des informations sur une force fondamentale mais énigmatique à l’œuvre dans certains des environnements les plus extrêmes de l’univers.
Ces environnements comprennent un atomele noyau de et les corps célestes connus sous le nom d’étoiles à neutrons, qui sont tous deux parmi les objets les plus denses connus de l’humanité. A titre de comparaison, faire correspondre la densité d’un étoile à neutrons nécessiterait de comprimer toute la masse de la Terre dans un espace de la taille du Spartan Stadium.
La théorie de Brown a jeté les bases pour relier les propriétés des noyaux aux étoiles à neutrons, mais construire ce pont avec des expériences serait difficile. Cela prendrait des années et les capacités uniques du Thomas Jefferson National Accelerator Facility. L’installation, également connue sous le nom de Jefferson Lab, est un laboratoire national du Département de l’énergie des États-Unis, ou DOE-SC, en Virginie. Ainsi, les expérimentateurs se sont mis à travailler sur une série d’études de plusieurs décennies et Brown est largement revenu à ses autres projets.
C’est-à-dire jusqu’en 2017. C’est à ce moment-là qu’il a dit qu’il avait commencé à penser aux belles expériences de précision menées par le groupe de son collègue Kei Minamisono au National Superconducting Cyclotron Laboratory, ou NSCL, et dans un avenir proche à l’Installation pour les faisceaux d’isotopes rares, ou FRIB. FRIB est une installation utilisateur du DOE-SC à MSU qui commencera à fonctionner pour les utilisateurs scientifiques au début de 2022.
“C’est incroyable de voir comment de nouvelles idées vous viennent”, a déclaré Brown, professeur de physique à la FRIB et au département de physique et d’astronomie de la MSU.
Le but de cette nouvelle idée était le même que sa théorie précédente, mais elle pourrait être testée en utilisant ce que l’on appelle des “noyaux miroirs” pour fournir un chemin plus rapide et plus simple vers cette destination.
En fait, le 29 octobre 2021, l’équipe a publié un article dans la revue Lettres d’examen physique sur la base des données d’une expérience qui a duré quelques jours. Cela fait suite à de nouvelles données des expériences du Jefferson Lab qui ont pris des années à acquérir.
“C’est assez incroyable”, a déclaré Brown. « Vous pouvez faire des expériences qui prennent quelques années à exécuter et des expériences qui prennent quelques jours et obtenir des résultats très similaires. »
Pour être clair, les expériences du Michigan et de la Virginie ne sont pas concurrentes. Au contraire, Krishna Kumar, membre et ancien président de la Jefferson Lab Users Organization, a qualifié les expériences de « merveilleusement complémentaires ».
“Une comparaison détaillée de ces mesures nous permettra de tester nos hypothèses et d’augmenter la robustesse de la connexion de la physique des très petits noyaux à la physique des très grandes étoiles à neutrons”, a déclaré Kumar, qui est également le professeur Gluckstern. de physique à l’Université du Massachusetts Amherst. « Les progrès réalisés tant au niveau expérimental que théorique sur ce vaste sujet soulignent l’importance et le caractère unique des capacités du Jefferson Lab et du NSCL, et l’avenir apportera davantage d’exemples de ce type à mesure que de nouvelles mesures seront effectuées au FRIB. »
Ces projets soulignent également l’importance de la collaboration entre théoriciens et expérimentateurs, en particulier lorsqu’il s’agit de s’attaquer aux mystères fondamentaux de l’univers. C’est ce type de collaboration qui a lancé les expériences du Jefferson Lab il y a 20 ans, et c’est ce type de collaboration qui alimentera les futures découvertes au FRIB.
Un miroir pour examiner la peau des neutrons
L’une des ironies ici est que Brown n’a pas passé beaucoup de temps à travailler sur les deux théories centrales de cette histoire. Brown a publié plus de 800 articles scientifiques au cours de sa carrière, et ceux qui ont inspiré les expériences au NSCL et au Jefferson Lab sont distincts de ses autres travaux.
“Je travaille sur beaucoup de choses et ce sont des papiers très isolés”, a déclaré Brown. Malgré cela, Brown les a partagés rapidement. “J’ai écrit les deux articles en quelques mois.”
Lorsque Brown a terminé le brouillon de sa théorie de 2017, il l’a immédiatement partagé avec Minamisono.
“Je me souviens que j’étais à une conférence lorsque j’ai reçu le courrier électronique d’Alex”, a déclaré Minamisono, physicien senior au FRIB. “J’étais tellement excité quand j’ai lu ce journal.”
L’excitation est venue de la connaissance de Minamisono que son équipe pourrait mener les expériences pour tester les idées de l’article et des implications de la théorie pour le cosmos.
“Cela se connecte aux étoiles à neutrons et c’est tellement excitant en tant qu’expérimentateur”, a déclaré Minamisono.
Les étoiles à neutrons sont plus massives que notre soleil, mais elles sont à peu près aussi grandes que l’île de Manhattan. Les chercheurs peuvent effectuer des mesures précises de la masse des étoiles à neutrons, mais il est difficile d’obtenir des chiffres exacts pour leurs diamètres.
Une meilleure compréhension de la poussée et de l’attraction des forces à l’intérieur des étoiles à neutrons améliorerait ces estimations de taille, et c’est là qu’intervient la physique nucléaire.
Une étoile à neutrons naît lorsqu’une très grande étoile devient une supernova et explose, laissant derrière elle un noyau encore plus massif que notre soleil. La gravité de ce reste massif le fait s’effondrer sur lui-même. En s’effondrant, l’étoile commence également à convertir sa matière – la substance qui la compose – en neutrons. Par conséquent, “étoile à neutrons”.
Il y a une force entre les neutrons, connue sous le nom d’interaction forte, qui agit contre la gravité et aide à freiner l’effondrement. Cette force est également en action dans les noyaux atomiques, qui sont constitués de neutrons et de particules appelées protons.
« Nous connaissons la gravité, bien sûr. Il n’y a pas de problème là-bas », a déclaré Brown. « Mais nous ne sommes pas si sûrs de ce qu’est l’interaction forte pour les neutrons purs. Il n’y a pas de laboratoire sur Terre qui a des neutrons purs, donc nous faisons des inférences à partir de choses que nous voyons dans les noyaux qui ont à la fois des protons et des neutrons.
Dans les noyaux atomiques, les neutrons dépassent un peu, formant une fine couche ne contenant que des neutrons qui s’étend au-delà des protons. C’est ce qu’on appelle la peau à neutrons. La mesure de la peau des neutrons permet aux chercheurs de se renseigner sur la force forte et, par extension, les étoiles à neutrons.
Dans les expériences du Jefferson Lab, les chercheurs ont envoyé des électrons sur des noyaux de plomb et de calcium. Sur la base de la façon dont les électrons se dispersent ou se détournent des noyaux, les scientifiques pourraient calculer les limites supérieure et inférieure de la taille de la peau des neutrons.
Pour les expériences NSCL, l’équipe devait mesurer la place que les protons occupent dans un noyau de nickel spécifique. C’est ce qu’on appelle le rayon de charge. En particulier, l’équipe a examiné le rayon de charge du nickel-54, un noyau ou un isotope de nickel contenant 26 neutrons. (Tous les isotopes du nickel ont 28 protons, et ceux avec 26 neutrons sont appelés nickel-54 car la somme des deux nombres fait 54.)
La particularité du nickel-54 est que les scientifiques connaissent déjà le rayon de charge de son noyau miroir, le fer-54, un noyau de fer avec 26 protons et 28 neutrons.
« Un noyau a 28 protons et 26 neutrons. Pour l’autre, c’est inversé », a déclaré Skyy Pineda, auteur principal du nouveau document de recherche et chercheur étudiant diplômé de l’équipe de Minamisono. En soustrayant les rayons de charge, les chercheurs éliminent efficacement les protons et se retrouvent avec cette fine couche de neutrons.
“Si vous prenez la différence des rayons de charge des deux noyaux, le résultat est la peau des neutrons”, a déclaré Pineda.
Pour mesurer le rayon de charge du nickel-54, l’équipe s’est tournée vers son installation de refroidisseur de faisceau et de spectroscopie laser, en abrégé BECOLA. À l’aide de BECOLA, les expérimentateurs superposent un faisceau d’isotopes de nickel 54 avec un faisceau de lumière laser. Sur la base de la façon dont la lumière interagit avec le faisceau d’isotopes, les Spartiates peuvent mesurer le rayon de charge du nickel, a déclaré Pineda.
En utilisant la théorie antérieure de Brown, les scientifiques du Jefferson Lab avaient besoin de l’ordre d’un sextillion d’électrons pour une mesure, ou d’un billion de milliards de particules. En utilisant la nouvelle théorie, les chercheurs ont plutôt besoin de milliers, voire de millions de noyaux. Cela signifie que les mesures qui nécessitaient autrefois des années peuvent être remplacées par des expériences qui prennent des jours.
Un avenir de découverte construit sur une histoire de travail d’équipe
Cette nouvelle recherche ressemble à un passage de témoin à plusieurs égards. D’une part, les expériences du Jefferson Lab entrent dans leur phase finale, tandis que le FRIB est prêt à poursuivre l’exploration.
FRIB lui-même représente une autre branche du relais. BECOLA a commencé à fonctionner à NSCL et continuera à fonctionner à FRIB.
Chaque étape s’appuie sur la précédente et sur le travail collectif des coureurs.
Encore une fois, cette formule n’a rien de nouveau. C’est ce qui a permis à un théoricien de la NSCL d’inspirer et d’informer des expériences dans un laboratoire de classe mondiale en Virginie. Cependant, ce qui ressort de la NSCL et de la FRIB, c’est que les installations des utilisateurs sont connectées à une université, ce qui permet aux vétérans et à la prochaine génération de dirigeants d’interagir et de partager des idées beaucoup plus tôt.
« MSU est unique en ce qu’elle a eu NSCL et maintenant FRIB. Dans la plupart des cas, de tels laboratoires ne sont pas intégrés à un campus universitaire », a déclaré Kristian Koenig, chercheur postdoctoral dans l’équipe de Minamisono et co-auteur principal du nouvel article. “Cela donne à tout le monde ici une grande opportunité.”
Référence : « Rayon de charge de déficient en neutrons 54Ni and Symmetry Energy Constraints Using the Difference in Mirror Pair Charge Radii » par Skyy V. Pineda, Kristian König, Dominic M. Rossi, B. Alex Brown, Anthony Incorvati, Jeremy Lantis, Kei Minamisono, Wilfried Nörtershäuser, Jorge Piekarewicz, Robert Powel et Felix Sommer, le 29 octobre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.182503
Des chercheurs de Université d’État de Floride avec l’Université technique de Darmstadt et le Centre GSI Helmholtz pour la recherche sur les ions lourds en Allemagne.
Ce travail est soutenu en partie par la National Science Foundation Grant No. PHY-14-30152, PHY-15-65546, PHY-18-11855, PHY-21-10365 et PHY-21-11185, le DOE-SC under Award n° DE-FG02-92ER40750, et ID de projet de la Fondation allemande pour la recherche 279384907 SFB 1245.
La NSCL est une installation nationale d’utilisateurs financée par la National Science Foundation, qui soutient la mission du programme de physique nucléaire de la division de physique de la NSF.
L’Université d’État du Michigan (MSU) exploite l’Installation pour les faisceaux d’isotopes rares (FRIB) en tant qu’installation utilisateur pour le Département américain de l’énergie Office of Science (DOE-SC), soutenant la mission du DOE-SC Office of Nuclear Physics. Le FRIB est financé par le DOE-SC, le MSU et l’État du Michigan, et le fonctionnement de l’installation utilisateur est soutenu par le DOE-SC Office of Nuclear Physics.
Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) est un laboratoire national du Département de l’énergie des États-Unis (DOE-SC). Jefferson Science Associates, LLC, gère et exploite Jefferson Lab pour le DOE-SC.
Les Département américain de l’énergie Office of Science est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents d’aujourd’hui.
