Vid Department of Energys Argonne National Laboratory, i ett sidorum utanför ATLAS kärnpartikelaccelerator, Jason Clark sitter på en övre plattform för att göra sitt arbete. Det trånga utrymmet kräver huvud-duckning och tittar på ditt steg för att navigera. Partiklar strömmar genom metallrör som vävs in och ut ur rummet. Uppflugen på metallplattformen, en enhet med en liten kanadensisk flagga tejpad på den plockar en enda partikel från strömmen, som Clark sedan studerar för att förstå grundämnenas ursprung.

I en annan byggnad i Argonne, i ett rum fyllt med servrar, en superdator som heter BEBOP kör iväg. Rummet är kallt, som de flesta serverrum är, kylda av de öronbedövande högljudda fläktarna som krävs för att förhindra att servrarna överhettas. Bland BEBOP:s många uppgifter, superdatorn kör simuleringar programmerade av Rebecca Surmans teoretiska kärnastrofysikgrupp vid University of Notre Dame. Dessa komplexa simuleringar informerar Clarks forskning. De två samarbetar för att hitta de utmärkande signaturerna för tunga element.

ATLAS upptar en källare i en av Argonnes många byggnader, med partikelströmmar som går in och ut ur läckra hörn inrymda av askeblock. Att navigera i utrymmet kräver noggrann uppmärksamhet och en kunnig guide. I slutet av udda korridorer och bakom väggar som minimerar strålning, experiment med massor av detektorer av alla slag tar upp partiklar för de många forskare som arbetar i ATLAS DOE Office of Sciences användaranläggning att studera.

"Det är ett unikt fönster till kärnfysik, " konstaterar Surman.

Clark utför sitt arbete huvudsakligen i rummet som innehåller CAlifornium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). Här försöker Clark och teamet av forskare som arbetar med honom förstå den större frågan:Var kommer grundämnen tyngre än järn ifrån?

Som Clark noterade, "Det här är samma isotoper som skulle kunna produceras i supernovor eller neutronstjärnefusioner." Att förstå hur dessa element bildas ger insikt i processer som sker i dessa galaktiska händelser. Intresset för dessa unika, grundläggande processer som producerar tunga element driver frågorna i labbet.

Modellera framställningen av element

Ta vilken astronomiklass som helst på vilket universitet som helst i landet. Mantrat är alltid detsamma:Element som är lättare än järn bildas i stjärnornas kärnor; grundämnen tyngre än järn bildas vid stjärnexplosioner. Medan det förra är sant, det senare är inte alltid, eller åtminstone inte uteslutande, Sann. Några av dessa tyngre grundämnen bildas när stjärnor exploderar, men andra astrofysiska processer som ännu inte helt förstås spelar också en roll för att bilda nya element.

Nya grundämnen bildas när grupper av kärnor, består av protoner och neutroner, gå samman för att skapa nya saker. Att bilda nya element tar många vägar, använda kombinationer av protoner och neutroner i lätta och ibland tunga grundämnen. Detta är den process som kallas fusion.

Det enklaste fallet av fusion sammanför två protoner och två neutroner för att göra helium. Om du kombinerar två heliumatomer, du får de fyra protonerna och fyra neutronerna som utgör en berylliumkärna. Denna process, känd som nukleosyntes, fortsätter så här i stjärnornas kärnor, lätta element som går samman för att bilda mer komplexa, tyngre element. Dock, stjärnor har gränser för hur mycket de kan smälta samman. Så småningom slutar stjärnor att smälta samman element när de får stryka.

Surmans forskning involverar "reverse engineering" av bildningen av element som är tyngre än järn. Dessa grundämnen kan bildas genom snabb infångning av neutroner, gör kombinationer av neutroner och protoner så extrema att de aldrig har setts i laboratorier på jorden. Exotiska kärnor som dessa förfaller tillbaka till stabila element som guld och platina.

"När astronomer mäter de relativa mängderna tunga grundämnen i solsystemet och andra stjärnor, de noterar att överflöden bildar ett universellt mönster, " förklarade Surman. Men, forskare har kämpat för att definitivt identifiera vilken astrofysisk händelse som orsakar detta universella mönster.

Omvänd konstruktion försöker använda detta universella mönster för att "förutsäga" egenskaperna hos exotiska kärnor som krävs för att replikera detta mönster i astrofysiska simuleringar. Olika astrofysiska händelser har olika karaktäristiska egenskaper som temperatur, neutrondensiteter, och andra. Varje omvänd konstruktionsförutsägelse av kärndata producerar distinkta egenskaper för varje möjlig astrofysisk händelse.

Att välja ut vilka processer som kan vara en svår uppgift. Så hur fattar Surman och teamet dessa beslut?

Superdatorer hjälper.

Matematiska nukleosyntesmodeller kan vara komplicerade och för klumpiga för en person att köra igenom för hand. Faktiskt, vissa modeller är så komplicerade att en hel byggnad full av stationära datorer inte skulle kunna köra den effektivt. Surmans modell kräver denna nivå av komplexitet.

Med små grundämnen som helium, det finns bara så många sätt du kan kombinera protoner och neutroner för att skapa en heliumkärna. När elementen blir tyngre, alternativen växer exponentiellt. Så Surman använder en metod som kallas en Markov-kedja Monte Carlo för att rensa igenom möjligheterna.

Om du hör "Monte Carlo" och tänker på ett kasino i en viss James Bond-film, du är inte långt borta. Metoden är uppkallad efter det kasinot i Monaco. Att koppla idén till ett kasino är lite passande. Monte Carlo-simuleringar ger ett slumpmässigt urval av alla möjliga resultat av en komplicerad process med hjälp av slumptal, precis som spelautomater gör.

När det gäller denna modell, randomiserade kombinationer av protoner och neutroner gör det mycket enklare att välja vägar. Testningen kan ske över ett bredare urval av alternativ utan att en forskare bestämmer sig för varje alternativ. Initialt, forskargruppen väljer några kärntekniska data och astrofysiska förhållanden. Sedan kör de en nukleosyntessimulering med dessa startförhållanden och jämför det resulterande mönstret av överflöd med det universella mönstret.

Sedan introducerar Monte Carlo-simuleringen variationer av massan av kärnorna i modellen. För varje uppsättning av olika kärnkraftsdata, teamet kör nukleosyntessimuleringen igen. Varje körning kontrollerar hur väl de simulerade och faktiska överflödsmönstren överensstämmer med varandra och om överenskommelsen har förbättrats. Sedan startar de processen igen och upprepar dessa steg tills en utmärkt matchning hittas.

"Vi upprepar sedan hela denna process för olika astrofysiska miljöer, leder till distinkta uppsättningar av "omvända" massor, ", noterade Surman.

För att uppnå överensstämmelse mellan resultaten, Surman säger att det tar cirka 40 körningar genom modellen. För att vara extra säker, de kör modellen 50 gånger. Vid det tillfället, de kan närma sig variationen med säkerhet. Och då, om variationen är testbar av CARIBU, Mätningar av dessa nukleära egenskaper som Clark tagit kan hjälpa till att besvara detta långvariga mysterium.

Fångande partiklar för att mäta massor

Det naturliga andra steget i forskningen är att kontrollera de förutsagda egenskaperna experimentellt. Medan de astrofysiska processer som producerar tunga grundämnen är bortom förmågan hos många anläggningar, processerna modellerade av Surman ligger inom CARIBUs kapacitet. Surmans resultat informerar Clarks arbete med CARIBU.

Det stora antalet kärnor som är involverade i de astrofysiska processerna utesluter Clarks förmåga att blint välja vilka kärnor som ska mätas. Dessutom, ATLAS och CARIBU kräver betydande resurser att köra. Och några av de partiklar som produceras av CARIBU är mycket exotiska och därför mycket sällsynta.

"Med låg produktion och låg avkastning, du måste bara vara väldigt effektiv, " sa Clark om den här specifika utmaningen. Istället för att på måfå leta efter resultat som kanske eller kanske inte finns i idealiska regioner, Surman kommunicerar vilken "region" man ska titta i utan att gå in på detaljer.

Det är som att någon bad dig gissa vart de tog vägen på sommarlovet. Istället för att bara ge dig en jordglob och säga åt dig att välja en plats, de säger att de tillbringade tid på en strand, minskar möjligheterna avsevärt. Sökningens integritet gäller fortfarande, men de begränsade möjligheterna gör sökningen mer målinriktad. Så utan ett exakt mål, Clark genomför experiment för att mäta massorna av kärnor i regionen som kommunicerats till honom.

Processen börjar med CARIBU, som innehåller en tunn platta med californium som ständigt producerar en rad tunga grundämnen. Dessa tunga grundämnen utvinns, separerade ut, och sedan riktad upp till enheten som kallas Canadian Penning Trap (CPT) masspektrometer.

Sitter nära det tvåvåningstaket, CPT snurrar med, fångar upp kärnpartiklar från strömmen. Den fångar en tung jon med sina magnetiska och elektriska fält. Därefter mäter enheten partikelns massa. Efter att mätningarna är klara av Clark, först då jämför han anteckningar med Surman. Helst resultaten skulle matcha vad som förutsägs av nukleosyntesmodellen.

Än så länge, forskarna har fått några intressanta resultat. En långvarig teori förutspådde en händelse med hög massnedslag, som att två neutronstjärnor smälter samman, skulle kunna ge de rätta förutsättningarna för att göra tunga grundämnen. I augusti 2017, en grupp forskare vid Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) upptäckte en händelse som senare skulle identifieras som en sammanslagning av neutronstjärnor. Detektering av denna händelse bekräftade att neutronstjärnes sammanslagningar producerar tunga grundämnen som de som studerats av Surman och Clark.

För att förstå denna process bättre, Clark och Surman studerade isotoper av både samarium och neodym. Som vanligt, Surman använde sin "reverse engineering" nukleosyntesmodell och Clark mätte partikelmassorna med CPT. Resultaten sammanföll bra, visar att massorna både förutspådda och uppmätta överensstämde med grundämnen som producerades av en neutronstjärnesammanslagning. Clark och Surman vill utforska detta ytterligare när forskningen går framåt.

Som Clark noterade, att genomföra dessa experiment kräver effektivitet och ett målinriktat tillvägagångssätt. Även om CARIBU har varit användbar för att undersöka några av dessa möjliga miljöer för att tillverka element, förmågan att sondera tyngre grundämnen kommer att användas för att utforska denna forskning ytterligare. Denna forskning kan hjälpa till att rikta experiment mot framtida kärnfysikacceleratorer som den kommande Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), som kommer att börja köra experiment 2022.

Den grundläggande kärnkraftsvetenskapen om hur tunga grundämnen kan bildas utgör ett språngbräde för att förstå grundämnenas ursprung. Varje experimentell körning kommer närmare en djupare förståelse av nukleosyntes. Men utan att svara på frågan om hur tunga element kan bildas, att slutmålet inte är uppnåeligt.

"Vi vill förstå all kärnfysik, "Surman sa, "och kärnan är behovet av att förstå detta problem."