Presso il Laboratorio Nazionale Argonne del Dipartimento di Energia, in una stanza laterale dell'acceleratore nucleare di particelle ATLAS, Jason Clark si siede su una piattaforma superiore per fare il suo lavoro. Lo spazio angusto richiede di abbassare la testa e guardare i tuoi passi per navigare. Le particelle fluiscono attraverso le tubazioni metalliche che entrano ed escono dalla stanza. Arroccato su quella piattaforma di metallo, un dispositivo con una minuscola bandiera canadese attaccata col nastro adesivo preleva una singola particella dal ruscello, che Clark poi studia per capire l'origine degli elementi.

In un altro edificio ad Argonne, in una stanza piena di server, un supercomputer di nome BEBOP smette di funzionare. La stanza è fredda, come la maggior parte delle sale server, raffreddato dalle ventole assordanti necessarie per evitare il surriscaldamento dei server. Tra i tanti compiti di BEBOP, il supercomputer esegue simulazioni programmate dal gruppo di astrofisica nucleare teorica di Rebecca Surman presso l'Università di Notre Dame. Queste complesse simulazioni informano la ricerca di Clark. I due collaborano per trovare le firme distintive di elementi pesanti.

ATLAS occupa un seminterrato in uno dei tanti edifici di Argonne, con flussi di particelle che entrano ed escono da angoli funky ospitati da blocchi di cemento. La navigazione nello spazio richiede un'attenta attenzione e una guida esperta. Alla fine di strani corridoi e dietro muri che riducono al minimo le radiazioni, esperimenti con molti rivelatori di tutti i tipi raccolgono particelle che i molti scienziati che lavorano nella struttura per gli utenti dell'ufficio delle scienze ATLAS DOE possono studiarle.

"È una finestra unica sulla fisica nucleare, " nota Surman.

Clark conduce il suo lavoro principalmente nella stanza che ospita il California Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). Qui Clark e il team di ricercatori che lavorano con lui cercano di capire la domanda più grande:da dove vengono gli elementi più pesanti del ferro?

Come ha notato Clark, "Questi sono gli stessi isotopi che potrebbero essere prodotti nelle supernove o nelle fusioni di stelle di neutroni". Comprendere il modo in cui questi elementi si formano fornisce informazioni sui processi che si verificano in questi eventi galattici. L'interesse per questi unici, processi fondamentali che producono elementi pesanti guidano le domande in laboratorio.

Modellare la realizzazione degli elementi

Segui un corso di astronomia in qualsiasi università del paese. Il mantra è sempre lo stesso:elementi più leggeri del ferro si formano nei nuclei delle stelle; gli elementi più pesanti del ferro si formano nelle esplosioni stellari. Mentre il primo suona vero, quest'ultimo non è sempre, o almeno non esclusivamente, vero. Alcuni di questi elementi più pesanti si formano quando le stelle esplodono, ma anche altri processi astrofisici non ancora completamente compresi giocano un ruolo nella formazione di nuovi elementi.

Nuovi elementi si formano quando gruppi di nuclei, composto da protoni e neutroni, si uniscono per formare cose nuove. La formazione di nuovi elementi prende molte strade, utilizzando combinazioni di protoni e neutroni in elementi leggeri e talvolta pesanti. Questo è il processo noto come fusione.

Il caso più semplice di fusione riunisce due protoni e due neutroni per produrre elio. Se unisci due atomi di elio insieme, ottieni i quattro protoni e i quattro neutroni che compongono un nucleo di berillio. Questo processo, noto come nucleosintesi, continua così nei nuclei delle stelle, elementi leggeri che si uniscono per formare più complessi, elementi più pesanti. Però, le stelle hanno dei limiti su quanto possono fondersi insieme. Alla fine le stelle smettono di fondere insieme gli elementi quando arrivano al ferro.

La ricerca di Surman prevede il "reverse engineering" della formazione di elementi più pesanti del ferro. Questi elementi possono formarsi per catture rapide di neutroni, creando combinazioni di neutroni e protoni così estreme da non essere mai state viste nei laboratori sulla Terra. Nuclei esotici come questi decadono di nuovo in elementi stabili come l'oro e il platino.

"Quando gli astronomi misurano le quantità relative di elementi pesanti nel sistema solare e in altre stelle, notano che le abbondanze formano un modello universale, " ha spiegato Surman. Tuttavia, i ricercatori hanno lottato per identificare in modo definitivo quale evento astrofisico causa questo modello universale.

Il reverse engineering tenta di utilizzare questo modello universale per "prevedere" le proprietà dei nuclei esotici necessari per replicare questo modello nelle simulazioni astrofisiche. Diversi eventi astrofisici hanno diverse proprietà caratteristiche come la temperatura, densità di neutroni, e altri. Ogni previsione di reverse engineering dei dati nucleari produce proprietà distinte per ogni possibile evento astrofisico.

Scegliere quali processi può essere un compito arduo. Quindi, come fanno Surman e il team a prendere queste decisioni?

I supercomputer aiutano.

I modelli matematici di nucleosintesi possono essere complicati e troppo goffi perché una persona possa percorrerli a mano. Infatti, alcuni modelli sono così complicati che un intero edificio pieno di computer desktop non potrebbe farlo funzionare in modo efficiente. Il modello di Surman richiede questo livello di complessità.

Con piccoli elementi come l'elio, ci sono solo tanti modi in cui puoi combinare protoni e neutroni per creare un nucleo di elio. Man mano che gli elementi diventano più pesanti, le opzioni crescono in modo esponenziale. Quindi Surman usa un metodo chiamato catena Markov Monte Carlo per eliminare le possibilità.

Se senti "Monte Carlo" e pensi a un casinò in un particolare film di James Bond, non sei lontano. Il metodo prende il nome da quel casinò di Monaco. Associare l'idea a un casinò è in qualche modo appropriato. Le simulazioni Monte Carlo producono una selezione casuale di tutti i possibili risultati di un processo complicato utilizzando numeri casuali, proprio come fanno le slot machine.

Nel caso di questo modello, combinazioni casuali di protoni e neutroni rendono la scelta dei percorsi molto più semplice. Il test può avvenire su una gamma più ampia di opzioni senza che un ricercatore decida su ogni opzione. Inizialmente, il gruppo di ricerca sceglie alcuni dati nucleari e condizioni astrofisiche. Quindi eseguono una simulazione di nucleosintesi con queste condizioni di partenza e confrontano il modello di abbondanze risultante con il modello universale.

Quindi la simulazione Monte Carlo introduce variazioni alle masse dei nuclei nel modello. Per ogni insieme di dati nucleari diversi, il team esegue nuovamente la simulazione della nucleosintesi. Ogni analisi verifica quanto bene i modelli di abbondanza simulati ed effettivi concordano tra loro e se tale accordo è migliorato. Quindi ricominciano il processo da capo e ripetono questi passaggi fino a trovare una corrispondenza eccellente.

"Quindi ripetiamo l'intero processo per diversi ambienti astrofisici, portando a insiemi distinti di masse "reverse engineering", " ha osservato Surman.

Per raggiungere un accordo tra i risultati, Surman dice che ci vogliono circa 40 passaggi attraverso il modello. Per essere più sicuro, eseguono il modello 50 volte. A quel punto, possono avvicinarsi con certezza alla variazione. Poi, se la variazione è verificabile da CARIBU, le misurazioni di queste proprietà nucleari prese da Clark possono aiutare a rispondere a questo antico mistero.

Intrappolare le particelle per misurare le masse

Il secondo passo naturale nella ricerca è verificare sperimentalmente le proprietà previste. Mentre i processi astrofisici che producono elementi pesanti sono al di là delle capacità di molte strutture, i processi modellati da Surman rientrano nelle capacità di CARIBU. I risultati di Surman informano il lavoro di Clark con CARIBU.

Il semplice numero di nuclei coinvolti nei processi astrofisici preclude la capacità di Clark di scegliere alla cieca quali nuclei misurare. Inoltre, ATLAS e CARIBU richiedono risorse significative per funzionare. E alcune delle particelle prodotte da CARIBU sono molto esotiche e quindi molto rare.

"Con bassa produzione e bassa resa, devi solo essere molto efficiente, "Clark ha detto di questa particolare sfida. Piuttosto che cercare a casaccio risultati che possono o meno essere nelle regioni ideali, Surman comunica in quale "regione" guardare senza entrare nei dettagli.

È come se qualcuno ti avesse chiesto di indovinare dove sono andati durante le vacanze estive. Invece di darti un mappamondo e dirti di scegliere un posto, ti dicono che hanno passato del tempo su una spiaggia, restringendo notevolmente le possibilità. L'integrità della ricerca è ancora valida, ma le possibilità ristrette rendono la ricerca più mirata. Quindi senza un obiettivo preciso, Clark conduce esperimenti per misurare le masse dei nuclei nella regione a lui comunicata.

Il processo inizia con CARIBU, che contiene una lamina sottile con californio che produce costantemente una gamma di elementi pesanti. Questi elementi pesanti vengono estratti, separato, e poi diretto al dispositivo chiamato spettrometro di massa Canadian Penning Trap (CPT).

Seduto vicino al soffitto a due piani, il CPT ronza lungo, cattura di particelle nucleari dal flusso. Cattura uno ione pesante con i suoi campi magnetici ed elettrici. Quindi il dispositivo misura la massa della particella. Dopo che le misurazioni sono state completate da Clark, solo allora confronta gli appunti con Surman. Idealmente, i risultati corrisponderebbero a quanto previsto dal modello di nucleosintesi.

Finora, i ricercatori hanno avuto alcuni risultati interessanti. Una teoria di vecchia data prevedeva che un evento di impatto di grande massa, come la fusione di due stelle di neutroni, potrebbe fornire le condizioni giuste per creare elementi pesanti. Nell'agosto del 2017, un gruppo di ricercatori del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha rilevato un evento che sarebbe stato successivamente identificato come fusione di stelle di neutroni. Il rilevamento di questo evento ha confermato che le fusioni di stelle di neutroni producono elementi pesanti come quelli studiati da Surman e Clark.

Per comprendere meglio questo processo, Clark e Surman hanno studiato gli isotopi sia del samario che del neodimio. Come di solito, Surman ha impiegato il suo modello di nucleosintesi di "ingegneria inversa" e Clark ha misurato le masse delle particelle con il CPT. I risultati convergevano bene, mostrando che le masse sia previste che misurate erano coerenti con gli elementi prodotti da una fusione di stelle di neutroni. Clark e Surman stanno cercando di esplorare ulteriormente questo aspetto man mano che la ricerca avanza.

Come ha notato Clark, condurre questi esperimenti richiede efficienza e un approccio mirato. Mentre CARIBU è stato utile per sondare alcuni di questi possibili ambienti per la realizzazione di elementi, la capacità di sondare elementi più pesanti sarà utilizzata per esplorare ulteriormente questa ricerca. Questa ricerca può aiutare a indirizzare gli esperimenti ai futuri acceleratori di fisica nucleare come l'imminente Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), che dovrebbe iniziare a condurre esperimenti nel 2022.

La scienza nucleare di base su come possono formarsi gli elementi pesanti fornisce un trampolino di lancio per comprendere l'origine degli elementi. Ogni esecuzione sperimentale si avvicina a una comprensione più profonda della nucleosintesi. Ma senza rispondere alla domanda su come possono formarsi elementi pesanti, quell'obiettivo finale non è raggiungibile.

"Vogliamo capire tutta la fisica nucleare, "Surman ha detto, "e al centro c'è la necessità di capire questo problema".