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    Comprensión cósmica:identificación de firmas distintivas de elementos pesados

    Utilizando las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias de ATLAS en el Laboratorio Nacional de Argonne, Los científicos nucleares están investigando cómo se formaron los elementos pesados ​​del universo. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne

    En el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía, en una habitación lateral del acelerador de partículas nucleares ATLAS, Jason Clark se sienta en una plataforma superior para hacer su trabajo. El espacio reducido requiere agachar la cabeza y vigilar sus pasos para navegar. Las partículas fluyen a través de las tuberías de metal que entran y salen de la habitación. Encaramado sobre esa plataforma de metal, un dispositivo con una pequeña bandera canadiense pegada a él arranca una sola partícula de la corriente, que Clark luego estudia para comprender el origen de los elementos.

    En otro edificio en Argonne, en una sala repleta de servidores, una supercomputadora llamada BEBOP se apaga. El cuarto esta frio como son la mayoría de las salas de servidores, enfriado por los ventiladores ensordecedores necesarios para evitar que los servidores se sobrecalienten. Entre las muchas tareas de BEBOP, la supercomputadora ejecuta simulaciones programadas por el grupo teórico de astrofísica nuclear de Rebecca Surman en la Universidad de Notre Dame. Estas complejas simulaciones informan la investigación de Clark. Los dos colaboran para encontrar las firmas distintivas de elementos pesados.

    ATLAS ocupa un sótano en uno de los muchos edificios de Argonne, con corrientes de partículas que entran y salen de los rincones originales alojados por bloques de cemento. Navegar por el espacio requiere una cuidadosa atención y una guía conocedora. Al final de los pasillos impares y detrás de las paredes que minimizan la radiación, los experimentos con una gran cantidad de detectores de todo tipo recogen partículas para que los estudien los muchos científicos que trabajan en las instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencias de ATLAS DOE.

    "Es una ventana única a la física nuclear, "señala Surman.

    Clark realiza su trabajo principalmente en la sala que alberga la Mejora del Criador de Isótopos Raros de California (CARIBU). Aquí, Clark y el equipo de investigadores que trabajan con él buscan comprender la pregunta más importante:¿de dónde provienen los elementos más pesados ​​que el hierro?

    Como señaló Clark, "Estos son los mismos isótopos que podrían producirse en supernovas o fusiones de estrellas de neutrones". Comprender la forma en que se forman estos elementos proporciona información sobre los procesos que ocurren en estos eventos galácticos. El interés en estos únicos, los procesos fundamentales que producen elementos pesados ​​impulsan las preguntas en el laboratorio.

    Modelando la fabricación de elementos

    Toma cualquier clase de astronomía en cualquier universidad del país. El mantra es siempre el mismo:los elementos más ligeros que el hierro se forman en los núcleos de las estrellas; Los elementos más pesados ​​que el hierro se forman en explosiones estelares. Mientras que el primero suena cierto, lo último no es siempre, o al menos no exclusivamente, verdadero. Algunos de estos elementos más pesados ​​se forman cuando las estrellas explotan, pero otros procesos astrofísicos que aún no se comprenden completamente también juegan un papel en la formación de nuevos elementos.

    Se forman nuevos elementos cuando grupos de núcleos, compuesto por protones y neutrones, se unen para formar cosas nuevas. Formar nuevos elementos toma muchos caminos, utilizando combinaciones de protones y neutrones en elementos ligeros y, a veces, pesados. Este es el proceso conocido como fusión.

    El caso más simple de fusión reúne dos protones y dos neutrones para producir helio. Si combina dos átomos de helio juntos, obtienes los cuatro protones y los cuatro neutrones que forman un núcleo de berilio. Este proceso, conocida como nucleosíntesis, continúa así en los núcleos de las estrellas, elementos ligeros que se unen para formar más complejos, elementos más pesados. Sin embargo, las estrellas tienen límites sobre cuánto pueden fusionarse. Finalmente, las estrellas dejan de fusionar elementos cuando llegan al hierro.

    La investigación de Surman implica la "ingeniería inversa" de la formación de elementos más pesados ​​que el hierro. Estos elementos pueden formarse mediante capturas rápidas de neutrones, haciendo combinaciones de neutrones y protones tan extremas que nunca se han visto en los laboratorios de la Tierra. Los núcleos exóticos como estos se descomponen en elementos estables como el oro y el platino.

    "Cuando los astrónomos miden las cantidades relativas de elementos pesados ​​en el sistema solar y otras estrellas, notan que las abundancias forman un patrón universal, ", Explicó Surman. Sin embargo, Los investigadores han luchado por identificar de manera concluyente qué evento astrofísico causa este patrón universal.

    La ingeniería inversa intenta utilizar este patrón universal para "predecir" las propiedades de núcleos exóticos requeridos para replicar este patrón en simulaciones astrofísicas. Los diferentes eventos astrofísicos tienen diferentes propiedades características como la temperatura, densidades de neutrones, y otros. Cada predicción de ingeniería inversa de datos nucleares produce propiedades distintas para cada posible evento astrofísico.

    Elegir qué procesos puede ser una tarea abrumadora. Entonces, ¿cómo Surman y el equipo toman estas decisiones?

    Las supercomputadoras ayudan.

    Los modelos matemáticos de nucleosíntesis pueden ser complicados y demasiado torpes para que una persona los revise a mano. De hecho, algunos modelos son tan complicados que todo un edificio lleno de computadoras de escritorio no podría ejecutarlo de manera eficiente. El modelo de Surman requiere este nivel de complejidad.

    Con pequeños elementos como el helio, Hay muchas formas de combinar protones y neutrones para formar un núcleo de helio. A medida que los elementos se vuelven más pesados, las opciones crecen exponencialmente. Entonces Surman usa un método llamado Monte Carlo de cadena de Markov para analizar las posibilidades.

    Si escuchas "Montecarlo" y piensas en un casino en una película de James Bond en particular, no estás lejos El método lleva el nombre de ese casino en Mónaco. Adjuntar la idea a un casino es algo apropiado. Las simulaciones de Monte Carlo producen una selección aleatoria de todos los posibles resultados de un proceso complicado utilizando números aleatorios, al igual que lo hacen las máquinas tragamonedas.

    En el caso de este modelo, Las combinaciones aleatorias de protones y neutrones hacen que la elección de caminos sea mucho más sencilla. La prueba puede realizarse en una gama más amplia de opciones sin que un investigador decida cada opción. Inicialmente, el grupo de investigación elige algunos datos nucleares y condiciones astrofísicas. Luego, ejecutan una simulación de nucleosíntesis con estas condiciones iniciales y comparan el patrón de abundancias resultante con el patrón universal.

    Luego, la simulación de Monte Carlo introduce variaciones en las masas de los núcleos en el modelo. Para cada conjunto de datos nucleares variados, el equipo vuelve a ejecutar la simulación de nucleosíntesis. Cada ejecución verifica qué tan bien coinciden los patrones de abundancia real y simulada entre sí y si ese acuerdo ha mejorado. Luego, comienzan el proceso de nuevo y repiten estos pasos hasta encontrar una combinación excelente.

    "Luego repetimos todo este proceso para diferentes entornos astrofísicos, conduciendo a distintos conjuntos de masas de 'ingeniería inversa', ", Señaló Surman.

    Para lograr la concordancia entre resultados, Surman dice que se necesitan alrededor de 40 pasadas por el modelo. Para estar más seguro, ejecutan el modelo 50 veces. En ese punto, pueden acercarse a la variación con certeza. Y luego, si la variación es comprobable por CARIBU, Las mediciones de estas propiedades nucleares tomadas por Clark pueden ayudar a responder este antiguo misterio.

    Atrapar partículas para medir masas

    El segundo paso natural en la investigación es verificar las propiedades predichas experimentalmente. Si bien los procesos astrofísicos que producen elementos pesados ​​están más allá de la capacidad de muchas instalaciones, los procesos modelados por Surman están dentro de las capacidades de CARIBU. Los resultados de Surman informan el trabajo de Clark con CARIBU.

    La gran cantidad de núcleos involucrados en los procesos astrofísicos impide la capacidad de Clark para elegir a ciegas qué núcleos medir. Es más, ATLAS y CARIBU requieren importantes recursos para funcionar. Y algunas de las partículas producidas por CARIBU son muy exóticas y, por lo tanto, muy raras.

    "Con baja producción y bajo rendimiento, solo tienes que ser muy eficiente, "Clark dijo sobre este desafío en particular. En lugar de buscar al azar resultados que pueden o no estar en regiones ideales, Surman comunica en qué "región" buscar sin entrar en detalles.

    Es como si alguien te pidiera que adivinaras adónde fueron en sus vacaciones de verano. En lugar de simplemente entregarte un globo terráqueo y decirte que elijas un lugar, te dicen que pasaron tiempo en una playa, reduciendo considerablemente las posibilidades. La integridad de la búsqueda aún se mantiene, pero las posibilidades limitadas hacen que la búsqueda sea más específica. Entonces, sin un objetivo preciso, Clark realiza experimentos para medir las masas de núcleos en la región que se le comunica.

    El proceso comienza con CARIBU, que contiene una placa delgada con californio que produce constantemente una gama de elementos pesados. Estos elementos pesados ​​se extraen, separado, y luego se dirige al dispositivo llamado espectrómetro de masas Canadian Penning Trap (CPT).

    Sentado cerca del techo de dos pisos el CPT zumba, capturando partículas nucleares de la corriente. Atrapa un ion pesado con sus campos eléctricos y magnéticos. Luego, el dispositivo mide la masa de la partícula. Después de que Clark complete las mediciones, sólo entonces compara notas con Surman. Idealmente, los resultados coincidirían con lo que predice el modelo de nucleosíntesis.

    Hasta aquí, los investigadores han obtenido resultados interesantes. Una teoría de larga data predijo que un evento de impacto de gran masa, como la fusión de dos estrellas de neutrones, podría proporcionar las condiciones adecuadas para producir elementos pesados. En agosto de 2017, un grupo de investigadores del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) detectó un evento que luego sería identificado como una fusión de estrellas de neutrones. La detección de este evento confirmó que las fusiones de estrellas de neutrones producen elementos pesados ​​como los estudiados por Surman y Clark.

    Para comprender mejor este proceso, Clark y Surman estudiaron los isótopos tanto del samario como del neodimio. Como siempre, Surman empleó su modelo de nucleosíntesis de "ingeniería inversa" y Clark midió las masas de partículas con el CPT. Los resultados convergieron muy bien, mostrando que las masas tanto predichas como medidas eran consistentes con elementos producidos por una fusión de estrellas de neutrones. Clark y Surman buscan explorar esto más a medida que avanza la investigación.

    Como señaló Clark, La realización de estos experimentos requiere eficiencia y un enfoque específico. Si bien CARIBU ha sido útil para sondear algunos de estos posibles entornos para la fabricación de elementos, La capacidad de sondear elementos más pesados ​​se utilizará para explorar más esta investigación. Esta investigación puede ayudar a orientar los experimentos a futuros aceleradores de la física nuclear, como la próxima Instalación para haces de isótopos raros (FRIB), que comenzará a ejecutar experimentos en 2022.

    La ciencia nuclear básica de cómo se pueden formar los elementos pesados ​​proporciona un trampolín para comprender el origen de los elementos. Cada ejecución experimental se acerca a una comprensión más profunda de la nucleosíntesis. Pero sin responder a la pregunta de cómo se pueden formar los elementos pesados, ese objetivo final no es alcanzable.

    "Queremos comprender toda la física nuclear, "Surman dijo, "y en el fondo está la necesidad de comprender este problema".


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