Une étude récente menée par deux universités américaines trace la route pour la modélisation des réactions nucléaires à faible énergie, essentielles à la formation des éléments au sein des étoiles. Cette recherche jette les bases pour calculer comment les nucléons interagissent lorsque les particules sont chargées électriquement.
Comprendre la formation des éléments dans les étoiles
Prédire comment les noyaux atomiques – des amas de protons et de neutrons, ensemble appelés nucléons – se combinent pour former des noyaux composés plus grands est une étape importante pour comprendre comment les éléments sont formés au sein des étoiles.
Étant donné que les interactions nucléaires pertinentes sont très difficiles à mesurer expérimentalement, les physiciens utilisent des grilles numériques pour simuler ces systèmes. La grille finie utilisée dans de telles simulations agit essentiellement comme une boîte imaginaire autour d’un groupe de nucléons, permettant aux physiciens de calculer les propriétés d’un noyau formé à partir de ces particules.
Le défi des réactions à faible énergie
Cependant, ces simulations n’ont jusqu’à présent pas trouvé de moyen de prédire les propriétés qui régissent les réactions à faible énergie impliquant des amas chargés résultant de plusieurs protons. C’est important car ces réactions à faible énergie sont vitales pour 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 globales du noyau », explique Sebastian König, professeur assistant de physique à l’Université d’État de Caroline du Nord et auteur correspondant de la recherche.
Une nouvelle approche pour comprendre les interactions
Face à ces défis, le Pr. König et ses collègues ont décidé de travailler à rebours. Leur approche examine le résultat final des réactions au sein d’une grille – les noyaux composés – puis remonte en arrière pour découvrir les propriétés et les énergies impliquées dans la réaction.
« Nous ne calculons pas les réactions elles-mêmes ; nous regardons plutôt la structure du produit final », explique König. « Au fur et à mesure que nous changeons la taille de la ‘boîte’, les simulations et les résultats changeront également. À partir de ces informations, nous pouvons extraire des paramètres qui déterminent ce qui se passe lorsque ces particules chargées interagissent. »
Une formule pour de futures applications
À partir de ces informations, l’équipe a développé une formule et l’a testée contre 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 pour les réactions nucléaires », déclare König. « Le cosmos est énorme, mais pour le comprendre, il faut regarder ses plus petits composants. C’est ce que nous faisons ici – nous nous concentrons sur les petits détails pour mieux informer notre analyse de l’image globale. »
En synthèse
Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation et par le Département de l’Énergie des États-Unis. Elle représente une étape importante dans la compréhension des réactions nucléaires à faible énergie et, par conséquent, de la formation des éléments dans les étoiles. En travaillant à rebours et en se concentrant sur les détails, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour modéliser ces réactions, ouvrant la voie à de futures applications et découvertes.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la méthode de modélisation des réactions nucléaires à faible énergie ?
C’est une approche qui examine le résultat final des réactions au sein d’une grille – les noyaux composés – puis remonte en arrière pour découvrir les propriétés et les énergies impliquées dans la réaction.
Pourquoi cette méthode est-elle importante ?
Elle est essentielle pour comprendre comment les éléments sont formés au sein des étoiles, un processus qui implique des réactions nucléaires à faible énergie.
Qu’est-ce qu’un nucléon ?
Un nucléon est un terme collectif pour les protons et les neutrons, qui sont les particules qui composent le noyau d’un atome.
Qu’est-ce que la force nucléaire forte ?
La force nucléaire forte est la force qui lie les protons et les neutrons ensemble dans les noyaux atomiques.
Qu’est-ce que la répulsion électromagnétique ?
La répulsion électromagnétique est la force qui repousse les protons les uns des autres dans un noyau atomique. Elle joue un rôle important dans la structure et la dynamique globales du noyau.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| Une nouvelle méthode pour modéliser les réactions nucléaires à faible énergie a été développée. |
| Cette méthode est essentielle pour comprendre comment les éléments sont formés au sein des étoiles. |
| Les nucléons, qui sont les protons et les neutrons, sont les particules qui composent le noyau d’un atome. |
| La force nucléaire forte est la force qui lie les protons et les neutrons ensemble dans les noyaux atomiques. |
| La répulsion électromagnétique est la force qui repousse les protons les uns des autres dans un noyau atomique. |
| La nouvelle méthode examine le résultat final des réactions au sein d’une grille, puis remonte en arrière pour découvrir les propriétés et les énergies impliquées dans la réaction. |
| Une formule a été développée à partir de ces informations et testée contre des calculs de référence. |
| Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation et par le Département de l’Énergie des États-Unis. |
Références
Physical Review Letters, National Science Foundation, U.S. Department of Energy
“Charged-particle bound states in periodic boxes”
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.212502. Authors: Sebastian König, Hang Yu, North Carolina State University; Dean Lee, Michigan State University. Published: Nov. 21, 2023 in Physical Review Letters
Résumé : « Nous considérons l’énergie de liaison d’un système à deux corps avec une interaction de Coulomb répulsive dans un volume périodique fini. Nous définissons le potentiel de Coulomb en volume fini comme le potentiel de Coulomb habituel, sauf que la distance est définie comme la plus courte séparation entre les deux corps dans le volume périodique. Nous étudions ce problème dans des boîtes périodiques unidimensionnelles et tridimensionnelles et dérivons le comportement asymptotique de la dépendance du volume pour les états liés avec un moment angulaire nul en termes de fonctions de Whittaker. Nous comparons nos résultats à des calculs numériques et montrons comment la méthode peut être utilisée pour extraire des coefficients de normalisation asymptotiques pour les états liés de particules chargées. Les résultats que nous obtenons ici ont des applications immédiates pour les calculs de noyaux atomiques dans des volumes périodiques finis pour le cas où la principale correction de volume fini est associée à deux grappes chargées. »
