Kosmisk forståelse:Identifikation af karakteristiske signaturer af tunge elementer

Ved Department of Energy's Argonne National Laboratory, i et siderum ud for ATLAS-atompartikelacceleratoren, Jason Clark sidder på en øvre platform for at udføre sit arbejde. Den trange plads kræver hoved-dukning og se-dit-trin for at navigere. Partikler strømmer gennem metalrør, der væver ind og ud af rummet. Sidder oven på den metalplatform, en enhed med et lille canadisk flag tapet til det plukker en enkelt partikel fra strømmen, som Clark derefter studerer for at forstå grundstoffernes oprindelse.

I en anden bygning ved Argonne, i et rum fyldt med servere, en supercomputer ved navn BEBOP kværner væk. Værelset er koldt, som de fleste serverrum er, afkølet af de øredøvende højlydte fans, der kræves for at forhindre, at serverne overophedes. Blandt BEBOPs mange opgaver, supercomputeren kører simuleringer programmeret af Rebecca Surmans teoretiske nukleare astrofysikgruppe ved University of Notre Dame. Disse komplekse simuleringer informerer Clarks forskning. De to samarbejder om at finde de karakteristiske signaturer af tunge elementer.

ATLAS indtager en kælder i en af ​​Argonnes mange bygninger, med partikelstrømme, der går ind og ud af funky hjørner indeholdt af askeblokke. At navigere i rummet kræver omhyggelig opmærksomhed og en vidende guide. For enden af ​​ulige korridorer og bag vægge, der minimerer stråling, eksperimenter med masser af detektorer af alle typer opfanger partikler, som de mange videnskabsmænd, der arbejder i ATLAS DOE Office of Sciences brugerfacilitet, kan studere.

"Det er et unikt vindue til kernefysik, " bemærker Surman.

Clark udfører sit arbejde hovedsageligt i rummet, der huser CAlifornium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). Her søger Clark og teamet af forskere, der arbejder med ham, at forstå det større spørgsmål:Hvor kommer grundstoffer, der er tungere end jern, fra?

Som Clark bemærkede, "Dette er de samme isotoper, som kunne produceres i supernovaer eller neutronstjernefusioner." At forstå den måde, disse elementer dannes på, giver indsigt i processer, der forekommer i disse galaktiske begivenheder. Interessen for disse unikke, grundlæggende processer, der producerer tunge elementer, driver spørgsmålene i laboratoriet.

Modellering af fremstilling af elementer

Tag en hvilken som helst astronomitime på ethvert universitet i landet. Mantraet er altid det samme:Grundstoffer, der er lettere end jern, dannes i stjernernes kerne; grundstoffer, der er tungere end jern, dannes ved stjerneeksplosioner. Mens det første er sandt, sidstnævnte er ikke altid, eller i det mindste ikke udelukkende, sand. Nogle af disse tungere grundstoffer dannes, når stjerner eksploderer, men andre astrofysiske processer, der endnu ikke er helt forstået, spiller også en rolle i dannelsen af ​​nye elementer.

Nye grundstoffer dannes, når grupper af kerner, består af protoner og neutroner, gå sammen for at danne nye ting. At danne nye elementer tager mange veje, ved hjælp af kombinationer af protoner og neutroner i lette og nogle gange tunge grundstoffer. Dette er processen kendt som fusion.

Det enkleste tilfælde af fusion samler to protoner og to neutroner til helium. Hvis du kombinerer to heliumatomer, du får de fire protoner og fire neutroner, der udgør en berylliumkerne. denne proces, kendt som nukleosyntese, fortsætter på denne måde i stjernernes kerne, lette elementer, der samles for at danne mere komplekse, tungere elementer. Imidlertid, stjerner har grænser for, hvor meget de kan smelte sammen. Til sidst stopper stjerner med at smelte elementer sammen, når de kommer til at stryge.

Surmans forskning involverer "reverse engineering" af dannelsen af ​​grundstoffer, der er tungere end jern. Disse grundstoffer kan dannes ved hurtig fangst af neutroner, gør kombinationer af neutroner og protoner så ekstreme, at de aldrig er set i laboratorier på Jorden. Eksotiske kerner som disse forfalder tilbage til stabile elementer som guld og platin.

"Når astronomer måler de relative mængder af tunge grundstoffer i solsystemet og andre stjerner, de bemærker, at overflod danner et universelt mønster, "forklarede Surman. Men forskere har kæmpet for endeligt at identificere, hvilken astrofysisk begivenhed der forårsager dette universelle mønster.

Reverse engineering forsøger at bruge dette universelle mønster til at "forudsige" egenskaberne af eksotiske kerner, der kræves for at replikere dette mønster i astrofysiske simuleringer. Forskellige astrofysiske hændelser har forskellige karakteristiske egenskaber såsom temperatur, neutrondensiteter, og andre. Hver reverse engineering forudsigelse af nukleare data producerer forskellige egenskaber for hver mulig astrofysisk begivenhed.

At udvælge hvilke processer, der kan være en skræmmende opgave. Så hvordan træffer Surman og holdet disse beslutninger?

Supercomputere hjælper.

Matematiske nukleosyntesemodeller kan være komplicerede og for klodsede til, at en person kan køre igennem i hånden. Faktisk, nogle modeller er så komplicerede, at en hel bygning fuld af stationære computere ikke kunne køre den effektivt. Surmans model kræver dette niveau af kompleksitet.

Med små grundstoffer som helium, der er kun så mange måder, hvorpå du kan kombinere protoner og neutroner for at lave en heliumkerne. Efterhånden som elementerne bliver tungere, mulighederne vokser eksponentielt. Så Surman bruger en metode kaldet en Markov-kæde Monte Carlo til at luge igennem mulighederne.

Hvis du hører "Monte Carlo" og tænker på et kasino i en bestemt James Bond-film, du er ikke langt væk. Metoden er opkaldt efter det kasino i Monaco. At knytte ideen til et kasino er lidt passende. Monte Carlo-simuleringer producerer et tilfældigt udvalg af alle mulige resultater af en kompliceret proces ved hjælp af tilfældige tal, ligesom spillemaskiner gør.

I tilfælde af denne model, randomiserede kombinationer af protoner og neutroner gør det meget nemmere at vælge veje. Testen kan foregå over en bredere række af muligheder, uden at en forsker beslutter sig for hver mulighed. I første omgang, forskergruppen vælger nogle nukleare data og astrofysiske forhold. Derefter kører de en nukleosyntesesimulering med disse startbetingelser og sammenligner det resulterende mønster af overflod med det universelle mønster.

Derefter introducerer Monte Carlo-simuleringen variationer til masserne af kernerne i modellen. For hvert sæt af forskellige nukleare data, holdet gentager nukleosyntesesimuleringen. Hver kørsel kontrollerer, hvor godt de simulerede og faktiske overflodsmønstre stemmer overens med hinanden, og om denne overensstemmelse er blevet bedre. Så starter de processen forfra og gentager disse trin, indtil der er fundet en fremragende match.

"Vi gentager derefter hele denne proces for forskellige astrofysiske miljøer, fører til forskellige sæt af 'reverse engineered' masser, " bemærkede Surman.

For at opnå overensstemmelse mellem resultater, Surman siger, at det tager omkring 40 kørsler gennem modellen. For at være ekstra sikker, de kører modellen 50 gange. På det tidspunkt, de kan nærme sig variationen med sikkerhed. Og så, hvis variationen kan testes af CARIBU, målinger af disse nukleare egenskaber taget af Clark kan hjælpe med at besvare dette mangeårige mysterium.

Indfangning af partikler til måling af masser

Det naturlige andet trin i forskningen er at kontrollere de forudsagte egenskaber eksperimentelt. Mens de astrofysiske processer, der producerer tunge grundstoffer, er uden for mange faciliteters evner, processerne modelleret af Surman er inden for CARIBUs muligheder. Surmans resultater informerer Clarks arbejde med CARIBU.

Det store antal kerner involveret i de astrofysiske processer udelukker Clarks evne til blindt at vælge, hvilke kerner der skal måles. I øvrigt, ATLAS og CARIBU kræver betydelige ressourcer at køre. Og nogle af partiklerne produceret af CARIBU er meget eksotiske og derfor meget sjældne.

"Med lav produktion og lavt udbytte, du skal bare være meget effektiv, " Clark sagde om denne særlige udfordring. I stedet for tilfældigt at lede efter resultater, der måske eller måske ikke er i ideelle områder, Surman kommunikerer, hvilken "region" man skal kigge i uden at komme nærmere ind på det.

Det er som om nogen bad dig gætte, hvor de tog hen på deres sommerferie. I stedet for bare at give dig en globus og bede dig vælge et sted, de fortæller dig, at de tilbragte tid på en strand, indsnævre mulighederne betydeligt. Integriteten af ​​søgningen holder stadig, men de indsnævrede muligheder gør søgningen mere målrettet. Så uden et præcist mål, Clark udfører eksperimenter for at måle massen af ​​kerner i regionen, der er kommunikeret til ham.

Processen starter med CARIBU, som indeholder en tynd plade med californium, der konstant producerer en række tunge grundstoffer. Disse tunge grundstoffer udvindes, skilt ud, og derefter rettet op til enheden kaldet Canadian Penning Trap (CPT) massespektrometer.

Sidder nær det to-etagers loft, CPT suser med, at fange atompartikler fra strømmen. Den fanger en tung ion med sine magnetiske og elektriske felter. Derefter måler enheden partiklens masse. Efter at målingerne er afsluttet af Clark, først da sammenligner han noter med Surman. Ideelt set resultaterne ville matche det, der er forudsagt af nukleosyntesemodellen.

Indtil nu, forskerne har haft nogle interessante resultater. En langvarig teori forudsagde en højmassenedslagsbegivenhed, såsom to neutronstjerner, der fusionerede, kunne give de rette betingelser for at lave tunge grundstoffer. I august 2017, en gruppe forskere ved Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) opdagede en begivenhed, der senere ville blive identificeret som en neutronstjernefusion. Påvisning af denne begivenhed bekræftede, at neutronstjernefusioner producerer tunge grundstoffer som dem, der er studeret af Surman og Clark.

For at forstå denne proces bedre, Clark og Surman studerede isotoper af både samarium og neodym. Som sædvanligt, Surman brugte sin "reverse engineering" nukleosyntesemodel og Clark målte partikelmasser med CPT. Resultaterne faldt fint sammen, viser, at masserne både forudsagt og målt var i overensstemmelse med grundstoffer produceret af en neutronstjernefusion. Clark og Surman søger at udforske dette yderligere, efterhånden som forskningen skrider frem.

Som Clark bemærkede, at udføre disse eksperimenter kræver effektivitet og en målrettet tilgang. Mens CARIBU har været nyttig til at undersøge nogle af disse mulige miljøer til fremstilling af elementer, evnen til at sondere tungere grundstoffer vil blive brugt til at udforske denne forskning yderligere. Denne forskning kan hjælpe med at målrette eksperimenter mod fremtidige nuklearfysiske acceleratorer såsom den kommende Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), som skal begynde at køre eksperimenter i 2022.

Den grundlæggende nukleare videnskab om, hvordan tunge grundstoffer kan dannes, er et springbræt til at forstå grundstoffernes oprindelse. Hvert forsøgsløb kommer tættere på en dybere forståelse af nukleosyntese. Men uden at besvare spørgsmålet om, hvor tunge grundstoffer kan dannes, at det endelige mål ikke er opnåeligt.

"Vi ønsker at forstå hele kernefysikken, " sagde Surman, "og i hjertet er behovet for at forstå dette problem."