阿曼达·巴布科克，美国能源部 利用阿贡国家实验室的阿特拉斯科学办公室用户设备，核科学家们正在研究宇宙中的重元素是如何形成的
学分:阿尔贡国家实验室 在能源部下属的阿尔贡国家实验室，在阿特拉斯核粒子加速器旁边的一个房间里，杰森·克拉克坐在上面的平台上做他的工作
狭窄的空间需要低头看着你的脚步来导航
颗粒通过金属管道流进流出房间
在那个金属平台的顶部，一个贴着加拿大国旗的装置从溪流中提取出一个粒子，然后克拉克研究这个粒子来了解元素的来源
在阿尔贡的另一栋大楼里，在一个挤满服务器的房间里，一台名为BEBOP的超级计算机正在不停地运转
房间很冷，就像大多数服务器房一样，被防止服务器过热所需的震耳欲聋的风扇冷却
在BEBOP的众多任务中，这台超级计算机运行由巴黎圣母院大学的丽贝卡·苏尔曼理论核天体物理学小组编程的模拟程序
这些复杂的模拟为克拉克的研究提供了信息
两人合作寻找重元素的独特特征
阿特拉斯占据了阿尔贡众多建筑中的一个地下室，粒子流通过煤渣块进出时髦的角落
在太空中航行需要仔细的注意和一个明智的向导
在奇数走廊的尽头和尽量减少辐射的墙后，用各种类型的大量探测器进行的实验为在美国能源部科学办公室用户设施中工作的许多科学家收集粒子进行研究
“这是了解核物理的一个独特窗口，”苏尔曼指出
克拉克的工作主要在加州稀有同位素增殖升级室进行
在这里，克拉克和与他合作的研究团队试图理解一个更大的问题:比铁重的元素来自哪里？ 正如克拉克所指出的，“这些同位素可能是超新星或中子星合并产生的
“了解这些元素的形成方式，有助于洞察这些银河事件中发生的过程
对这些产生重元素的独特的基本过程的兴趣推动了实验室中的问题
元素制作建模 参加国内任何一所大学的天文学课程
口头禅永远不变:比铁轻的元素形成于恒星的核心；比铁重的元素是在恒星爆炸中形成的
虽然前者听起来是对的，但后者并不总是对的，或者至少不是唯一对的
其中一些较重的元素是在恒星爆炸时形成的，但其他尚未完全了解的天体物理过程也在形成新元素中发挥了作用
当由质子和中子组成的原子核群聚集在一起形成新的东西时，新的元素就形成了
形成新元素有多种途径，利用轻元素(有时重元素)中质子和中子的组合
这就是所谓的融合过程
最简单的聚变例子是将两个质子和两个中子结合在一起产生氦
如果你把两个氦原子结合在一起，你会得到四个质子和四个中子组成一个铍原子核
这一过程被称为核合成，在恒星的核心继续进行，轻元素聚集在一起形成更复杂、更重的元素
然而，恒星融合在一起的能力是有限的
最终，当恒星变成铁元素时，它们就不再融合在一起了
苏尔曼的研究涉及“逆向工程”比铁重的元素的形成
这些元素可以通过快速捕获中子而形成，使得中子和质子的结合变得如此极端，以至于在地球的实验室中从未见过
像这样的奇异原子核会衰变为稳定的元素，如金和铂
“当天文学家测量太阳系和其他恒星中重元素的相对数量时，他们注意到丰度形成了一个普遍的模式，”苏尔曼解释说
然而，研究人员一直在努力最终确定是什么天体物理事件导致了这种普遍模式
逆向工程试图使用这种通用模式来“预测”在天体物理模拟中复制这种模式所需的外来原子核的特性
不同的天体物理事件具有不同的特性，如温度、中子密度等
对核数据的每一次逆向工程预测都会为每一个可能的天体物理事件产生不同的性质
挑选哪些流程可能是一项艰巨的任务
那么苏尔曼和他的团队是如何做出这些决定的呢？ 超级计算机有所帮助
数学核合成模型可能很复杂，对于一个人来说太笨重了，不能用手来完成
事实上，有些模型太复杂了，以至于一整栋满是台式电脑的建筑都无法高效运行
苏尔曼的模型需要这种复杂程度
对于像氦这样的小元素，只有很多种方法可以将质子和中子结合成氦核
随着元素变得越来越重，选项呈指数增长
所以苏尔曼使用了一种叫做马尔可夫链蒙特卡罗的方法来剔除这些可能性
如果你听到“蒙特卡洛”，想到詹姆斯·邦德电影中的赌场，你就离成功不远了
这种方法是以摩纳哥的赌场命名的
将这种想法与赌场联系在一起有点合适
蒙特卡罗模拟使用随机数对复杂过程的所有可能结果进行随机选择，就像吃角子老虎机一样
在这个模型中，质子和中子的随机组合使得路径选择变得更加简单
测试可以在更广泛的选项上进行，而不需要研究人员对每个选项都做出决定
最初，研究小组选择一些核数据和天体物理条件
然后，他们用这些起始条件运行一个核合成模拟，并将结果丰度模式与通用模式进行比较
然后蒙特卡罗模拟引入了模型中原子核质量的变化
对于每一组不同的核数据，研究小组重新运行核合成模拟
每次运行检查模拟的和实际的丰度模式彼此一致的程度，以及这种一致是否有所改善
然后，他们重新开始这个过程，重复这些步骤，直到找到一个优秀的匹配
“然后我们对不同的天体物理环境重复这一整个过程，导致不同的‘反向工程’质量组，”苏尔曼指出
苏尔曼说，要在结果之间达成一致，需要对模型进行大约40次运行
更确定的是，他们运行这个模型50次
在这一点上，他们可以肯定地接近变化
然后，如果这种变化是可由加州理工学院测试的，克拉克对这些核特性的测量可以帮助解答这个长期的谜团
捕获粒子以测量质量 研究中自然的第二步是实验性地检查预测的性质
虽然产生重元素的天体物理过程超出了许多设施的能力范围，但苏尔曼模拟的过程却在加勒比大气物理研究所的能力范围之内
苏尔曼的研究结果为克拉克与加州理工学院的合作提供了信息
天体物理过程中涉及的原子核数量之多，排除了克拉克盲目挑选要测量的原子核的能力
此外，阿特拉斯系统和加勒比大学需要大量资源来运行
而且由加勒比生物研究所产生的一些粒子非常奇特，因此非常罕见
“由于产量低，产量低，你必须非常高效，”克拉克谈到这一特殊挑战时说
苏尔曼没有随意寻找可能在或可能不在理想区域的结果，而是传达了要寻找的“区域”，而没有涉及细节
就像有人让你猜他们暑假去了哪里
他们告诉你他们在海滩上度过了一段时间，大大缩小了可能性，而不是仅仅给你一个地球仪，让你选择一个地方
搜索的完整性仍然存在，但缩小的可能性使搜索更有针对性
因此，在没有精确目标的情况下，克拉克进行实验来测量与他通信的区域内的原子核质量
这一过程始于CARIBU，它包含一个不断产生一系列重元素的含锎薄板
这些重元素被提取出来，分离出来，然后被导向一个叫做加拿大潘宁阱质谱仪的装置
坐在两层楼高的天花板附近，中央处理器呼呼地运转着，从气流中捕捉核粒子
它用磁场和电场捕捉一个重离子
然后设备测量粒子的质量
在克拉克完成测量后，他才与苏尔曼交换意见
理想情况下，结果将与核合成模型所预测的相符
到目前为止，研究人员已经有了一些有趣的结果
一个长期存在的理论预测，像两颗中子星合并这样的大质量撞击事件可能为制造重元素提供合适的条件
2017年8月，激光干涉仪引力波观测站(LIGO)的一组研究人员探测到了一个后来被认为是中子星合并的事件
对这一事件的探测证实了中子星合并产生了重元素，就像苏尔曼和克拉克研究的那样
为了更好地理解这个过程，克拉克和苏尔曼研究了钐和钕的同位素
和往常一样，苏尔曼采用了她的“逆向工程”核合成模型，克拉克用计算机断层扫描测量了粒子质量
结果收敛得很好，表明预测和测量的质量都与中子星合并产生的元素一致
随着研究的进展，克拉克和苏尔曼希望进一步探索这一点
正如克拉克指出的，进行这些实验需要效率和有针对性的方法
虽然CARIBU在探测这些制造元素的可能环境方面很有用，但探测更重元素的能力将被用来进一步探索这项研究
这项研究有助于在未来的核物理加速器上进行实验，例如即将在2022年开始运行实验的稀有同位素束设施(FRIB)
关于重元素如何形成的基础核科学为理解元素的起源提供了一个敲门砖
每一次实验运行都更加接近对核合成的深入理解
但如果不回答重元素能形成多少的问题，最终目标是无法实现的
“我们想了解所有的核物理，”苏尔曼说，“核心是需要了解这个问题
"
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