La compréhension des particules chargées aide les physiciens à simuler la création d'éléments dans les étoiles.

27 novembre 2023

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par Tracey Peake, de l'Université d'État de Caroline du Nord

De nouvelles recherches de l'Université d'État de Caroline du Nord et de l'Université d'État du Michigan ouvrent une nouvelle voie pour la modélisation des réactions nucléaires à basse énergie, qui sont essentielles à la formation des éléments au sein des étoiles. Les recherches posent les bases pour calculer comment les nucléons interagissent lorsque les particules sont chargées électriquement.

Le travail est publié dans Physical Review Letters.

Prédire les façons dont les noyaux atomiques - des amas de protons et de neutrons, désignés ensemble par le terme de nucléons - se combinent pour former des noyaux composés plus grands est une étape importante vers la compréhension de la formation des éléments au sein des étoiles.

Étant donné que les interactions nucléaires pertinentes sont très difficiles à mesurer expérimentalement, les physiciens utilisent des réseaux numériques pour simuler ces systèmes. Le réseau fini utilisé dans de telles simulations numériques agit essentiellement comme une boîte imaginaire autour d'un groupe de nucléons, ce qui permet aux physiciens de calculer les propriétés d'un noyau formé à partir de ces particules.

Mais de telles simulations ont jusqu'à présent fait défaut pour prédire les propriétés qui régissent les réactions à basse énergie impliquant des amas chargés résultant de plusieurs protons. C'est important car ces réactions à basse énergie sont essentielles à la formation des éléments dans les étoiles, entre autres choses.

« Alors que la "force nucléaire forte" lie les protons et les neutrons ensemble dans les noyaux atomiques, la répulsion électromagnétique entre les protons joue un rôle important dans la structure et la dynamique du noyau », explique Sebastian König, professeur adjoint de physique à la NC State et auteur correspondant de la recherche.

"Cette force est particulièrement forte aux énergies les plus basses, où de nombreux processus importants ont lieu pour synthétiser les éléments qui composent le monde que nous connaissons", ajoute König. "Mais il est difficile pour la théorie de prédire ces interactions".

Ainsi, König et ses collègues ont décidé de travailler à rebours. Leur approche examine le résultat final des réactions au sein d'un réseau - les noyaux composés - puis remonte le temps pour découvrir les propriétés et les énergies impliquées dans la réaction.

"Nous ne calculons pas les réactions elles-mêmes ; nous examinons plutôt la structure du produit final", explique König. "En modifiant la taille de la boîte, les simulations et les résultats changeront également. À partir de ces informations, nous pouvons réellement extraire des paramètres qui déterminent ce qui se passe lorsque ces particules chargées interagissent".

"La dérivation de la formule a été inattendument difficile", ajoute Hang Yu, étudiant diplômé à la NC State et premier auteur de l'étude, "mais le résultat final est assez beau et a des applications importantes".

À partir de ces informations, l'équipe a développé une formule et l'a testée par rapport à des calculs de référence, qui sont des évaluations effectuées par des méthodes traditionnelles, pour s'assurer que les résultats étaient précis et prêts à être utilisés dans des applications futures.

"C'est le travail de fond qui nous indique comment analyser une simulation afin d'extraire les données dont nous avons besoin pour améliorer les prédictions des réactions nucléaires", explique König. "L'univers est énorme, mais pour le comprendre, il faut regarder ses composants les plus minuscules. C'est ce que nous faisons ici - en nous concentrant sur les petits détails pour mieux informer notre analyse de l'image d'ensemble".

Hang Yu, étudiant diplômé de la NC State, est le premier auteur de l'étude. Dean Lee, professeur de physique et responsable du département de science nucléaire théorique à la Facility for Rare Isotope Beams de l'Université d'État du Michigan, a co-écrit l'étude. Lee était anciennement à la NC State et reste professeur adjoint de physique à la NC State.

Informations sur la revue : Physical Review Letters

Fourni par l'Université d'État de Caroline du Nord