No Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia, em uma sala ao lado do acelerador de partículas nucleares ATLAS, Jason Clark se senta em uma plataforma superior para fazer seu trabalho. O espaço apertado requer abaixar a cabeça e observar seus passos para navegar. Partículas fluem através de tubos de metal entrando e saindo da sala. Empoleirado no topo daquela plataforma de metal, um dispositivo com uma pequena bandeira canadense colada a ela arranca uma única partícula do riacho, que Clark então estuda para entender a origem dos elementos.

Em outro prédio em Argonne, em uma sala cheia de servidores, um supercomputador chamado BEBOP sai. A sala esta fria, como a maioria das salas de servidores são, resfriado pelos fãs ensurdecedores altos necessários para evitar o superaquecimento dos servidores. Entre as muitas tarefas do BEBOP, o supercomputador executa simulações programadas pelo grupo teórico de astrofísica nuclear de Rebecca Surman na Universidade de Notre Dame. Essas simulações complexas informam a pesquisa de Clark. Os dois colaboram para encontrar as assinaturas distintas de elementos pesados.

ATLAS ocupa um porão em um dos muitos edifícios de Argonne, com fluxos de partículas entrando e saindo de cantos modernos alojados por blocos de concreto. Navegar no espaço requer atenção cuidadosa e um guia experiente. No final de corredores ímpares e atrás de paredes que minimizam a radiação, experimentos com muitos detectores de todos os tipos coletam partículas para os muitos cientistas que trabalham nas instalações de usuários do ATLAS DOE Office of Science estudarem.

"É uma janela única para a física nuclear, "observa Surman.

Clark conduz seu trabalho principalmente na sala que abriga o Upgrade do Criador de Isótopos Raros CAlifornium (CARIBU). Aqui, Clark e a equipe de pesquisadores que trabalham com ele buscam entender a questão maior:de onde vêm os elementos mais pesados ​​que o ferro?

Como Clark observou, "Esses são os mesmos isótopos que poderiam ser produzidos em supernovas ou fusões de estrelas de nêutrons." Compreender a forma como esses elementos se formam fornece uma visão dos processos que ocorrem nesses eventos galácticos. O interesse por estes únicos, processos fundamentais que produzem elementos pesados ​​conduzem as perguntas no laboratório.

Modelando a fabricação de elementos

Faça qualquer aula de astronomia em qualquer universidade do país. O mantra é sempre o mesmo:elementos mais leves que o ferro são formados nos núcleos das estrelas; elementos mais pesados ​​que o ferro são formados em explosões estelares. Enquanto o primeiro soa verdadeiro, o último nem sempre é, ou pelo menos não exclusivamente, verdade. Alguns desses elementos mais pesados ​​se formam quando as estrelas explodem, mas outros processos astrofísicos ainda não completamente compreendidos também desempenham um papel na formação de novos elementos.

Novos elementos se formam quando grupos de núcleos, feito de prótons e nêutrons, reúnam-se para formar coisas novas. Formar novos elementos leva muitos caminhos, usando combinações de prótons e nêutrons em elementos leves e às vezes pesados. Este é o processo conhecido como fusão.

O caso mais simples de fusão reúne dois prótons e dois nêutrons para formar o hélio. Se você combinar dois átomos de hélio, você obtém os quatro prótons e quatro nêutrons que formam um núcleo de berílio. Este processo, conhecido como nucleossíntese, continua assim nos núcleos das estrelas, elementos leves se juntando para formar mais complexos, elementos mais pesados. Contudo, as estrelas têm limites para o quanto elas podem se fundir. Eventualmente, as estrelas param de fundir os elementos quando chegam ao ferro.

A pesquisa de Surman envolve a "engenharia reversa" da formação de elementos mais pesados ​​que o ferro. Esses elementos podem se formar por capturas rápidas de nêutrons, fazendo combinações de nêutrons e prótons tão extremas que nunca foram vistas em laboratórios na Terra. Núcleos exóticos como esses decaem em elementos estáveis ​​como ouro e platina.

"Quando os astrônomos medem as quantidades relativas de elementos pesados ​​no sistema solar e outras estrelas, eles notam que as abundâncias formam um padrão universal, "Surman explicou. No entanto, pesquisadores têm se esforçado para identificar conclusivamente qual evento astrofísico causa esse padrão universal.

A engenharia reversa tenta usar esse padrão universal para "prever" as propriedades de núcleos exóticos necessários para replicar esse padrão em simulações astrofísicas. Diferentes eventos astrofísicos têm diferentes propriedades características, como temperatura, densidades de nêutrons, e outros. Cada previsão de engenharia reversa de dados nucleares produz propriedades distintas para cada evento astrofísico possível.

Escolher quais processos pode ser uma tarefa difícil. Então, como Surman e a equipe tomam essas decisões?

Supercomputadores ajudam.

Os modelos matemáticos de nucleossíntese podem ser complicados e desajeitados demais para uma pessoa examiná-los manualmente. Na verdade, alguns modelos são tão complicados que um prédio inteiro cheio de computadores desktop não poderia executá-lo com eficiência. O modelo de Surman requer esse nível de complexidade.

Com pequenos elementos como o hélio, existem muitas maneiras de combinar prótons e nêutrons para formar um núcleo de hélio. Conforme os elementos ficam mais pesados, as opções crescem exponencialmente. Portanto, Surman usa um método chamado cadeia de Markov Monte Carlo para examinar as possibilidades.

Se você ouvir "Monte Carlo" e pensar em um cassino em um determinado filme de James Bond, você não está longe. O método leva o nome daquele cassino em Mônaco. Anexar a ideia a um cassino é algo apropriado. As simulações de Monte Carlo produzem uma seleção aleatória de todos os resultados possíveis de um processo complicado usando números aleatórios, assim como as máquinas caça-níqueis.

No caso deste modelo, combinações aleatórias de prótons e nêutrons tornam a escolha de caminhos muito mais simples. O teste pode acontecer em uma faixa mais ampla de opções sem que um pesquisador decida cada uma delas. Inicialmente, o grupo de pesquisa escolhe alguns dados nucleares e condições astrofísicas. Em seguida, eles executam uma simulação de nucleossíntese com essas condições iniciais e comparam o padrão de abundância resultante com o padrão universal.

Em seguida, a simulação de Monte Carlo introduz variações nas massas dos núcleos no modelo. Para cada conjunto de dados nucleares variados, a equipe executa novamente a simulação de nucleossíntese. Cada execução verifica se os padrões de abundância simulados e reais concordam entre si e se esse acordo melhorou. Em seguida, eles reiniciam o processo e repetem essas etapas até que uma combinação excelente seja encontrada.

"Em seguida, repetimos todo esse processo para diferentes ambientes astrofísicos, levando a conjuntos distintos de massas de 'engenharia reversa', "Surman observou.

Para chegar a um acordo entre os resultados, Surman diz que leva cerca de 40 execuções do modelo. Para ter certeza, eles executam o modelo 50 vezes. Nesse ponto, eles podem abordar a variação com certeza. E então, se a variação for testável pelo CARIBU, medições dessas propriedades nucleares feitas por Clark podem ajudar a responder a esse antigo mistério.

Partículas de aprisionamento para medição de massas

A segunda etapa natural da pesquisa é verificar experimentalmente as propriedades previstas. Embora os processos astrofísicos que produzem elementos pesados ​​estejam além da capacidade de muitas instalações, os processos modelados por Surman estão ao alcance da CARIBU. Os resultados de Surman informam o trabalho de Clark com o CARIBU.

O grande número de núcleos envolvidos nos processos astrofísicos impede a capacidade de Clark de escolher cegamente quais núcleos medir. Além disso, ATLAS e CARIBU requerem recursos significativos para funcionar. E algumas das partículas produzidas pelo CARIBU são muito exóticas e, portanto, muito raras.

"Com baixa produção e baixo rendimento, você só tem que ser muito eficiente, "Clark disse sobre este desafio específico. Em vez de procurar resultados que podem ou não estar em regiões ideais, Surman comunica qual "região" procurar sem entrar em detalhes.

É como se alguém lhe pedisse para adivinhar para onde foi nas férias de verão. Em vez de apenas entregar um globo e dizer para você escolher um lugar, eles dizem que passaram um tempo na praia, estreitando consideravelmente as possibilidades. A integridade da pesquisa ainda se mantém, mas as possibilidades estreitas tornam a pesquisa mais direcionada. Então, sem um alvo preciso, Clark realiza experimentos para medir as massas de núcleos na região comunicada a ele.

O processo começa com CARIBU, que contém uma placa fina com califórnio que está constantemente produzindo uma variedade de elementos pesados. Esses elementos pesados ​​são extraídos, separado, e então direcionado para o dispositivo chamado espectrômetro de massa Canadian Penning Trap (CPT).

Sentado perto do teto de dois andares, o CPT zumbe junto, captura de partículas nucleares do fluxo. Ele pega um íon pesado com seus campos magnéticos e elétricos. Em seguida, o dispositivo mede a massa da partícula. Depois que as medições forem concluídas por Clark, só então ele compara notas com Surman. Idealmente, os resultados corresponderiam ao que é previsto pelo modelo de nucleossíntese.

Até aqui, os pesquisadores obtiveram alguns resultados interessantes. Uma teoria de longa data previa um evento de impacto de grande massa, como a fusão de duas estrelas de nêutrons, que poderia fornecer as condições certas para a produção de elementos pesados. Em agosto de 2017, um grupo de pesquisadores do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectou um evento que mais tarde seria identificado como uma fusão de estrelas de nêutrons. A detecção deste evento confirmou que as fusões de estrelas de nêutrons produzem elementos pesados ​​como os estudados por Surman e Clark.

Para entender melhor este processo, Clark e Surman estudaram os isótopos de samário e neodímio. Como sempre, Surman empregou seu modelo de nucleossíntese de "engenharia reversa" e Clark mediu as massas das partículas com o CPT. Os resultados convergiram bem, mostrando que as massas preditas e medidas eram consistentes com os elementos produzidos pela fusão de uma estrela de nêutrons. Clark e Surman estão procurando explorar isso mais à medida que a pesquisa avança.

Como Clark observou, a condução desses experimentos requer eficiência e uma abordagem direcionada. Embora o CARIBU tenha sido útil para sondar alguns desses possíveis ambientes para fazer elementos, a capacidade de sondar elementos mais pesados ​​será usada para explorar mais esta pesquisa. Esta pesquisa pode ajudar a direcionar experimentos em futuros aceleradores de física nuclear, como o futuro Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), que deve começar a realizar experimentos em 2022.

A ciência nuclear básica de como os elementos pesados ​​podem se formar fornece um trampolim para a compreensão da origem dos elementos. Cada execução experimental se aproxima de uma compreensão mais profunda da nucleossíntese. Mas sem responder à pergunta de como os elementos pesados ​​podem se formar, esse objetivo final não é alcançável.

"Queremos entender toda a física nuclear, "Surman disse, "e no cerne está a necessidade de compreender este problema."