Bij het Argonne National Laboratory van het Department of Energy, in een zijkamer van de ATLAS-kerndeeltjesversneller, Jason Clark zit op een hoger platform om zijn werk te doen. De krappe ruimte vereist head-ducing en kijken-je-stap om te navigeren. Deeltjes stromen door metalen leidingen die de kamer in en uit weven. Boven op dat metalen platform, een apparaat met een klein Canadees vlaggetje erop plukt een enkel deeltje uit de stroom, die Clark vervolgens bestudeert om de oorsprong van de elementen te begrijpen.

In een ander gebouw in Argonne, in een kamer vol met servers, een supercomputer genaamd BEBOP karnt weg. De kamer is koud, zoals de meeste serverruimtes zijn, gekoeld door de oorverdovend luide ventilatoren die nodig zijn om te voorkomen dat de servers oververhit raken. Onder de vele taken van BEBOP, de supercomputer voert simulaties uit die zijn geprogrammeerd door Rebecca Surman's theoretische nucleaire astrofysica-groep aan de Universiteit van Notre Dame. Deze complexe simulaties vormen de basis voor het onderzoek van Clark. De twee werken samen om de onderscheidende handtekeningen van zware elementen te vinden.

ATLAS beslaat een kelder in een van de vele gebouwen van Argonne, met deeltjesstromen die in en uit funky hoeken gaan, gehuisvest door sintelblokken. Navigeren door de ruimte vereist zorgvuldige aandacht en een wetende gids. Aan het einde van vreemde gangen en achter muren die straling minimaliseren, experimenten met veel verschillende soorten detectoren pikken deeltjes op voor de vele wetenschappers die in de ATLAS DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit werken om te bestuderen.

"Het is een uniek venster op de kernfysica, " merkt Surman op.

Clark voert zijn werk voornamelijk uit in de ruimte waarin de CAlifornium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU) is gehuisvest. Hier proberen Clark en het team van onderzoekers die met hem samenwerken de grotere vraag te begrijpen:waar komen elementen die zwaarder zijn dan ijzer vandaan?

Zoals Clark opmerkte, "Dit zijn dezelfde isotopen die kunnen worden geproduceerd in supernova's of fusies van neutronensterren." Inzicht in de manier waarop deze elementen zich vormen, geeft inzicht in processen die plaatsvinden in deze galactische gebeurtenissen. De belangstelling voor deze unieke, fundamentele processen die zware elementen produceren, drijven de vragen in het lab aan.

Het maken van elementen modelleren

Volg een willekeurige astronomieklas aan een universiteit in het land. De mantra is altijd hetzelfde:in de kernen van sterren worden elementen gevormd die lichter zijn dan ijzer; elementen zwaarder dan ijzer worden gevormd in stellaire explosies. Terwijl de eerste klopt, dat laatste is niet altijd of in ieder geval niet uitsluitend, waar. Sommige van deze zwaardere elementen worden gevormd wanneer sterren exploderen, maar andere astrofysische processen die nog niet volledig begrepen zijn, spelen ook een rol bij het vormen van nieuwe elementen.

Nieuwe elementen vormen zich wanneer groepen kernen, opgebouwd uit protonen en neutronen, komen samen om nieuwe dingen te vormen. Het vormen van nieuwe elementen gaat langs vele wegen, met combinaties van protonen en neutronen in lichte en soms zware elementen. Dit is het proces dat bekend staat als fusie.

Het eenvoudigste geval van fusie brengt twee protonen en twee neutronen samen om helium te maken. Als je twee heliumatomen combineert, je krijgt de vier protonen en vier neutronen die een berylliumkern vormen. Dit proces, bekend als nucleosynthese, gaat zo verder in de kernen van sterren, lichte elementen die samenkomen om meer complexe, zwaardere elementen. Echter, sterren hebben grenzen aan hoeveel ze kunnen samensmelten. Uiteindelijk stoppen sterren met het samensmelten van elementen wanneer ze gaan strijken.

Surman's onderzoek omvat "reverse engineering" de vorming van elementen zwaarder dan ijzer. Deze elementen kunnen worden gevormd door snelle vangsten van neutronen, waardoor combinaties van neutronen en protonen zo extreem zijn dat ze nog nooit in laboratoria op aarde zijn gezien. Exotische kernen zoals deze vervallen terug naar stabiele elementen als goud en platina.

"Als astronomen de relatieve hoeveelheden zware elementen in het zonnestelsel en andere sterren meten, ze merken op dat de overvloed een universeel patroon vormt, " legde Surman uit. Echter, onderzoekers hebben geworsteld om definitief te identificeren welke astrofysische gebeurtenis dit universele patroon veroorzaakt.

Reverse engineering probeert dit universele patroon te gebruiken om de eigenschappen van exotische kernen te "voorspellen" die nodig zijn om dit patroon in astrofysische simulaties te repliceren. Verschillende astrofysische gebeurtenissen hebben verschillende karakteristieke eigenschappen zoals temperatuur, neutronen dichtheden, en anderen. Elke reverse engineering-voorspelling van nucleaire gegevens produceert verschillende eigenschappen voor elke mogelijke astrofysische gebeurtenis.

Het uitkiezen van welke processen een ontmoedigende taak kan zijn. Dus hoe nemen Surman en het team deze beslissingen?

Supercomputers helpen.

Wiskundige nucleosynthesemodellen kunnen ingewikkeld en te onhandig zijn voor een persoon om met de hand door te nemen. In feite, sommige modellen zijn zo ingewikkeld dat een heel gebouw vol desktopcomputers het niet efficiënt zou kunnen uitvoeren. Het model van Surman vereist dit niveau van complexiteit.

Met kleine elementen zoals helium, er zijn maar zoveel manieren waarop je protonen en neutronen kunt combineren om een ​​heliumkern te maken. Naarmate de elementen zwaarder worden, de opties groeien exponentieel. Dus Surman gebruikt een methode genaamd een Markov-keten Monte Carlo om door de mogelijkheden te wieden.

Als je "Monte Carlo" hoort en denkt aan een casino in een bepaalde James Bond-film, je zit er niet ver naast. De methode is vernoemd naar dat casino in Monaco. Het idee aan een casino koppelen is enigszins gepast. Monte Carlo-simulaties produceren een willekeurige selectie van alle mogelijke uitkomsten van een gecompliceerd proces met behulp van willekeurige getallen, net zoals gokautomaten dat doen.

In het geval van dit model gerandomiseerde combinaties van protonen en neutronen maken het kiezen van paden een stuk eenvoudiger. Het testen kan plaatsvinden over een bredere reeks opties zonder dat een onderzoeker over elke optie beslist. aanvankelijk, de onderzoeksgroep kiest enkele nucleaire gegevens en astrofysische omstandigheden. Vervolgens voeren ze een nucleosynthesesimulatie uit met deze startcondities en vergelijken het resulterende patroon van abundanties met het universele patroon.

Vervolgens introduceert de Monte Carlo-simulatie variaties in de massa's van de kernen in het model. Voor elke reeks gevarieerde nucleaire gegevens, het team herhaalt de nucleosynthesesimulatie. Elke run controleert hoe goed de gesimuleerde en daadwerkelijke overvloedspatronen met elkaar overeenkomen en of die overeenkomst is verbeterd. Daarna beginnen ze het proces opnieuw en herhalen deze stappen totdat er een uitstekende match is gevonden.

"Vervolgens herhalen we dit hele proces voor verschillende astrofysische omgevingen, wat leidt tot verschillende sets van 'omgekeerde' massa's, ’ merkte Surman op.

Om overeenstemming tussen resultaten te bereiken, Surman zegt dat het ongeveer 40 runs door het model duurt. Om extra zeker te zijn, ze voeren het model 50 keer uit. Op dat punt, ze kunnen de variatie met zekerheid benaderen. En dan, als de variatie testbaar is door CARIBU, metingen van deze nucleaire eigenschappen genomen door Clark kunnen helpen bij het beantwoorden van dit al lang bestaande mysterie.

Deeltjes vangen voor het meten van massa's

De natuurlijke tweede stap in het onderzoek is om de voorspelde eigenschappen experimenteel te controleren. Hoewel de astrofysische processen die zware elementen produceren, het vermogen van veel faciliteiten te boven gaan, de door Surman gemodelleerde processen vallen binnen de mogelijkheden van CARIBU. De resultaten van Surman informeren Clarks werk met CARIBU.

Het enorme aantal kernen dat betrokken is bij de astrofysische processen, sluit het vermogen van Clark uit om blindelings te kiezen welke kernen hij wil meten. Bovendien, ATLAS en CARIBU hebben aanzienlijke middelen nodig om te kunnen draaien. En sommige van de door CARIBU geproduceerde deeltjes zijn erg exotisch en dus erg zeldzaam.

"Met lage productie en lage opbrengst, je moet gewoon heel efficiënt zijn, Clark zei over deze specifieke uitdaging. In plaats van lukraak te zoeken naar resultaten die al dan niet in ideale regio's liggen, Surman communiceert in welke "regio" te kijken zonder in details te treden.

Het is alsof iemand je vroeg om te raden waar ze naartoe gingen tijdens hun zomervakantie. In plaats van je gewoon een wereldbol te geven en je te vertellen een plaats te kiezen, ze vertellen je dat ze tijd op een strand hebben doorgebracht, de mogelijkheden aanzienlijk verkleinen. De integriteit van de zoekopdracht geldt nog steeds, maar de beperkte mogelijkheden maken de zoekopdracht gerichter. Dus zonder een precies doel, Clark voert experimenten uit om de massa's kernen te meten in de regio die hem is meegedeeld.

Het proces begint met CARIBU, die een dunne plaat met californium bevat die constant een reeks zware elementen produceert. Deze zware elementen worden gewonnen, gescheiden, en vervolgens naar het apparaat geleid dat de Canadian Penning Trap (CPT) massaspectrometer wordt genoemd.

Zittend bij het twee verdiepingen tellende plafond, de CPT zoeft mee, het vangen van kerndeeltjes uit de stroom. Het hakt een zwaar ion vast met zijn magnetische en elektrische velden. Vervolgens meet het apparaat de massa van het deeltje. Nadat de metingen zijn voltooid door Clark, pas dan vergelijkt hij aantekeningen met Surman. Ideaal, de resultaten zouden overeenkomen met wat wordt voorspeld door het nucleosynthesemodel.

Tot dusver, de onderzoekers hebben enkele interessante resultaten geboekt. Een al lang bestaande theorie voorspelde dat een impactgebeurtenis met een hoge massa, zoals het samensmelten van twee neutronensterren, de juiste omstandigheden zou kunnen bieden om zware elementen te maken. In augustus 2017, een groep onderzoekers van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ontdekte een gebeurtenis die later zou worden geïdentificeerd als een fusie van neutronensterren. Detectie van deze gebeurtenis bevestigde dat fusies van neutronensterren zware elementen produceren, zoals die welke door Surman en Clark zijn bestudeerd.

Om dit proces beter te begrijpen, Clark en Surman bestudeerden de isotopen van zowel samarium als neodymium. Zoals gewoonlijk, Surman gebruikte haar "reverse engineering" nucleosynthesemodel en Clark mat deeltjesmassa's met de CPT. De resultaten vielen mooi samen, waaruit blijkt dat de voorspelde en gemeten massa's consistent waren met elementen geproduceerd door een neutronensterfusie. Clark en Surman willen dit verder onderzoeken naarmate het onderzoek vordert.

Zoals Clark opmerkte, het uitvoeren van deze experimenten vereist efficiëntie en een gerichte aanpak. Hoewel CARIBU nuttig is geweest om enkele van deze mogelijke omgevingen voor het maken van elementen te onderzoeken, de mogelijkheid om zwaardere elementen te onderzoeken zal worden gebruikt om dit onderzoek verder te onderzoeken. Dit onderzoek kan helpen om experimenten te richten op toekomstige kernfysische versnellers, zoals de aanstaande Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), die is ingesteld om te beginnen met het uitvoeren van experimenten in 2022.

De fundamentele nucleaire wetenschap van hoe zware elementen zich kunnen vormen, biedt een opstap naar het begrijpen van de oorsprong van de elementen. Elke experimentele run komt dichter bij een dieper begrip van nucleosynthese. Maar zonder de vraag te beantwoorden hoe zware elementen zich kunnen vormen, dat uiteindelijke doel is niet haalbaar.

"We willen alle kernfysica begrijpen, "Surman zei, "en in de kern is de noodzaak om dit probleem te begrijpen."