Les expériences permettront aux scientifiques d’examiner de plus près comment les étoiles qui explosent créent les éléments les plus lourds du monde.
Comment se construisent les éléments chimiques, les briques de notre univers ? Cette question est au cœur de la physique nucléaire depuis près d’un siècle.
Au début de la 20e siècle, les scientifiques ont découvert que les éléments ont un noyau central ou un noyau. Ces noyaux sont constitués de nombres variés de protons et de neutrons.
Maintenant, les scientifiques de la Michigan State University’s Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) ont construit et testé un dispositif qui permettra d’avoir un aperçu crucial des éléments lourds, ou des éléments avec un très grand nombre de protons et de neutrons. Ben Kay, physicien au département américain de l’énergie (BICHE) Argonne National Laboratory, a dirigé cet effort. FRIB est un BICHE Bureau de l’installation des utilisateurs de la science.
« Étoiles qui explosent, fusion d’étoiles géantes effondrées, nous apprenons maintenant des détails sur les réactions nucléaires au cœur de ces événements. Avec SOLARIS, nous sommes capables de recréer ces réactions ici, sur Terre, pour les voir par nous-mêmes. » – Ben Kay, division Physique
Kay et son équipe ont terminé leur première expérience en utilisant l’appareil, appelé SOLARIS, qui signifie Solenoid Spectrometer Apparatus for Reaction Studies. Les expériences prévues révéleront des informations sur les réactions nucléaires qui créent certains des éléments les plus lourds de notre monde, allant du fer à l’uranium.
Des expériences avec des isotopes exotiques sont également prévues. Les isotopes sont des éléments qui partagent le même nombre de protons mais ont un nombre différent de neutrons. Les scientifiques qualifient certains isotopes d’exotiques parce que leurs rapports protons/neutrons diffèrent de ceux des isotopes généralement stables ou à longue durée de vie qui se produisent naturellement sur Terre. Certains de ces isotopes instables jouent un rôle essentiel dans les événements astronomiques.
Une vue intérieure de SOLARIS et de l’accélérateur et des détecteurs à l’arrière. Crédit : Laboratoire National d’Argonne
“L’explosion d’étoiles, la fusion d’étoiles géantes effondrées, nous apprenons maintenant des détails sur les réactions nucléaires au cœur de ces événements », a déclaré Kay.“Avec SOLARIS, nous sommes capables de recréer ces réactions ici, sur Terre, pour les voir par nous-mêmes.
Le nouvel appareil suit les traces de HELIOS, le spectromètre à orbite hélicoïdale, à Argonne. Les deux utilisent des aimants supraconducteurs réutilisés de la même manière à partir d’une imagerie par résonance magnétique (IRM) machine comme celle que l’on trouve dans les hôpitaux. Dans les deux cas, un faisceau de particules est tiré sur un matériau cible à l’intérieur d’une chambre à vide. Lorsque les particules entrent en collision avec la cible, des réactions de transfert se produisent. Dans de telles réactions, des neutrons ou des protons sont soit retirés, soit ajoutés des noyaux, selon les particules et leurs énergies utilisées dans la collision.
“En enregistrant l’énergie et l’angle des diverses particules libérées ou déviées par les collisions, nous sommes en mesure de recueillir des informations sur la structure des noyaux de ces isotopes », a déclaré Kay.“L’innovant SOLARIS la conception fournit la résolution nécessaire pour améliorer notre compréhension de ces noyaux exotiques.
Ce qui rend SOLARIS vraiment unique, il peut fonctionner comme un spectromètre bimode, ce qui signifie qu’il peut effectuer des mesures avec des faisceaux de haute ou de très basse intensité.“SOLARIS peut fonctionner dans ces deux modes », a expliqué Kay.“L’un utilise un réseau de détecteurs au silicium traditionnel dans le vide. L’autre utilise la nouvelle cible remplie de gaz de la chambre à projection temporelle Active-Target de l’État du Michigan, dirigée par SOLARIS membre de l’équipe et FRIB le physicien senior Daniel Bazin. Cette première expérience a testé la AT-TPC. ” Les AT-TPC permet aux scientifiques d’utiliser des faisceaux plus faibles tout en recueillant des résultats avec le niveau élevé nécessaire précision.
Les AT-TPC est essentiellement une grande chambre remplie d’un gaz qui sert à la fois de cible pour le faisceau et de milieu détecteur. Cela diffère de la chambre à vide traditionnelle qui utilise un réseau de détecteurs au silicium et une cible séparée, mince et solide.
“En remplissant la chambre de gaz, vous vous assurez que les particules moins nombreuses et plus grosses du faisceau de faible intensité entreront en contact avec le matériau cible », a déclaré Kay. De cette façon, les scientifiques peuvent ensuite étudier les produits de ces collisions.
La première expérience de l’équipe, dirigée par l’associée de recherche Clementine Santamaria de FRIB, a examiné la désintégration de l’oxygène-16 (l’isotope de l’oxygène le plus courant sur notre planète) en particules alpha beaucoup plus petites. En particulier, les huit protons et huit neutrons dans l’oxygène-16 les noyaux se décomposent en un total de quatre particules alpha, chacune constituée de deux protons et de deux neutrons.
“En déterminant comment l’oxygène-16 se désintègre comme celle-ci, des comparaisons peuvent être faites avec celle de la ‘L’état de Hoyle, un état excité d’un isotope du carbone qui, selon nous, joue un rôle clé dans la production de carbone dans les étoiles », a expliqué Kay.
Kay et son équipe ont enregistré plus de deux millions d’événements de réaction au cours de cette expérience et ont observé plusieurs cas de désintégration de l’oxygène.16 en particules alpha.
La double fonctionnalité de SOLARIS permettra une gamme encore plus large d’expériences de réaction nucléaire qu’auparavant et donnera aux scientifiques de nouvelles perspectives sur certains des plus grands mystères du cosmos.
FRIB est une installation d’utilisateurs pour le Bureau de physique nucléaire dans le BICHE Bureau des sciences.
