Impact of ab initio E1 strength on neutron capture rates along the nickel isotopic chain

Au plus profond du cœur des étoiles, une alchimie cosmique est constamment à l'œuvre, forgeant les éléments lourds qui constituent notre monde. Alors que les éléments plus légers comme le carbone et l'oxygène naissent de la combustion constante des fournaises stellaires, les éléments les plus lourds, tels que l'or et le platine, sont créés lors d'événements violents et extrêmes où les neutrons sont capturés à des vitesses fulgurantes. Ce processus, connu sous le nom de processus de capture neutronique rapide, ou processus r, est l'usine primaire de l'univers pour ces matériaux lourds. Pour comprendre exactement quelle quantité de chaque élément est produite, les scientifiques doivent connaître les taux précis auxquels les noyaux atomiques capturent les neutrons. Cependant, de nombreux noyaux instables et riches en neutrons impliqués dans cette danse cosmique n'existent que pendant des fractions de seconde, ce qui les rend impossibles à étudier directement en laboratoire. Par conséquent, les chercheurs doivent s'appuyer sur des calculs théoriques pour prédire comment ces atomes éphémères se comportent, comblant ainsi les lacunes là où la mesure directe est impossible.

Une pièce critique de ce puzzle est la manière dont ces noyaux interagissent avec la lumière, plus précisément la façon dont ils absorbent l'énergie par le biais d'un type de vibration appelé force dipolaire électrique. En termes simples, cela décrit comment les protons et les neutrons à l'intérieur d'un atome se déplacent les uns par rapport aux autres lorsqu'ils sont frappés par de l'énergie. Pendant des décennies, les scientifiques ont utilisé des modèles larges et généralisés pour deviner ces comportements pour les atomes instables, mais ces suppositions manquent souvent de la précision nécessaire pour simuler avec exactitude la création des éléments dans l'univers. Une nouvelle étude menée par Francesca Bonaiti et Joanna E. Sobczyk s'attaque de front à ce défi en calculant ces interactions à partir de zéro, en utilisant une méthode qui part des forces fondamentales entre les particules plutôt que de s'appuyer sur des suppositions éclairées.

Les chercheurs se sont concentrés sur une famille spécifique d'atomes : les isotopes du nickel. Le nickel est un acteur clé du processus r, agissant comme une étape intermédiaire qui influence l'abondance des éléments ayant des masses autour de cent. L'équipe a utilisé une approche de calcul puissante appelée « ab initio », ce qui signifie « depuis le début ». Au lieu d'ajuster leurs calculs aux données existantes, ils sont partis des lois fondamentales de la physique nucléaire, spécifiquement les interactions entre protons et neutrons dérivées d'une théorie appelée théorie du champ effectif chiral. Ils ont appliqué cela à une chaîne d'atomes de nickel, allant du nickel-58 stable au nickel-80 extrêmement riche en neutrons. Pour gérer la complexité mathématique de ces noyaux instables à couches ouvertes, ils ont développé une nouvelle extension d'une méthode connue sous le nom de technique de cluster de Lorentz (Lorentz integral transform coupled-cluster). Cela leur a permis de simuler la réponse de ces atomes à l'énergie sans avoir besoin de construire les états de diffusion impossibles qui compliquent habituellement de tels calculs.

Les résultats ont révélé une caractéristique significative dans le comportement de ces atomes riches en neutrons : une force distincte et de faible intensité située juste au-dessus du point où un neutron peut s'échapper du noyau. Ce phénomène, souvent associé à une « résonance dipolaire pygmée », agit comme une vibration douce et de faible énergie qui devient plus prononcée à mesure que le noyau gagne des neutrons. Dans le cas du nickel-80, cette vibration de faible énergie est si forte et si proche du seuil d'évasion qu'elle commence à influencer le comportement de l'atome à des températures étonnamment basses, autour de 0,5 milliard de degrés. Pour les autres isotopes de la chaîne, cet effet s'accentue à mesure que le nombre de neutrons augmente, devenant un facteur majeur à des températures comprises entre 3 et 10 milliards de degrés.

Lorsque les chercheurs ont injecté ces nouveaux calculs fondés sur les principes fondamentaux dans les codes informatiques standards utilisés pour simuler les explosions stellaires, l'impact a été clair. L'inclusion de cette force dipolaire électrique spécifique a considérablement augmenté les taux prédits de capture de neutrons par ces noyaux de nickel. Pour les isotopes plus lourds, le taux de capture a augmenté selon des facteurs allant de 16 % à trois fois les estimations précédentes, selon la température et l'isotope spécifique. Cette amélioration n'est pas un ajustement mineur ; elle représente un changement fondamental dans notre compréhension de la manière dont ces noyaux interagissent avec leur environnement. L'étude a également souligné que la plus grande source d'incertitude dans leurs résultats provient du processus mathématique d'inversion de leurs calculs pour obtenir la réponse finale, plutôt que des modèles de physique sous-jacents eux-mêmes.

En fournissant la première description rigoureuse et fondée sur les principes fondamentaux de cette force dipolaire électrique le long d'une chaîne isotopique, ce travail offre une base nouvelle et plus fiable pour les simulations astrophysiques. Il suggère que la production d'éléments lourds dans l'univers pourrait être plus efficace que ce que l'on pensait auparavant, particulièrement pour les isotopes de nickel les plus lourds. Bien que les chercheurs reconnaissent que les travaux futurs devront affiner le processus d'inversion mathématique pour réduire les incertitudes, cette étude réussit à combler le fossé entre la théorie nucléaire fondamentale et l'échelle grandiose de la formation des éléments cosmiques. Elle démontre que même pour les atomes les plus instables, nous pouvons désormais prédire leur comportement avec un niveau de détail qui était auparavant hors de portée, nous rapprochant ainsi de la résolution du mystère de l'origine réelle des éléments lourds de notre univers.