Nikkel-78 er en dobbelt magisk isotop, supercomputerende beregninger bekræfter

For mange af os, udtrykket "dobbelt magi" kan fremkalde billeder af Penn &Teller. Imidlertid, for atomfysikere, den beskriver atomkerner, der har større stabilitet end deres naboer takket være at have skaller, der er fuldt optaget af både protoner og neutroner. Teoretiske fysikere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory brugte for nylig Titan, Amerikas mest kraftfulde supercomputer, til at beregne nukleare struktur af nikkel-78, bestående af 28 protoner og 50 neutroner, og fandt ud af, at denne neutronrige kerne faktisk er dobbelt magi. Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Fysiske gennemgangsbreve , kan forbedre forståelsen af ​​oprindelsen, organisation og interaktioner mellem stabilt stof.

"Ved hjælp af første-princip-beregninger, der køres på Titan, vi bekræftede, at en meget eksotisk kerne, som man ikke ved meget om, nikkel-78, er dobbelt magi, "sagde den teoretiske fysiker Gaute Hagen, der udførte undersøgelsen med Gustav Jansen og Thomas Papenbrock. DOE Office of Science støttede forskningen.

Udtrykket "dobbelt magi" menes at have været opfundet af Eugene Wigner, tidligere forsknings- og udviklingsdirektør for Manhattan Project-æra-anlægget, der blev ORNL. Ved magiske tal, som omfatter 2, 8, 20, 28, 50, 82 og 126, enten protoner eller neutroner fylder komplette skaller af atomets kerne. Skallerne til protoner og skallerne til neutroner er uafhængige af hinanden. Hvis antallet af protoner og antallet af neutroner begge er magiske, kernen siges at være "dobbelt magisk."

"Bindende energi, eller energi nødvendig for at fjerne enten en proton eller en neutron, er større for dobbelt magiske kerner sammenlignet med deres naboer, "Hagen forklarede. Atomdiagrammet viser, at der findes flere dobbelt magiske isotoper - atomiske elementer, der kemisk opfører sig identisk, men fysisk adskiller sig i antallet af neutroner - i nærheden af" stabilitets dal, "regionen, der omfatter alle stabile og langlivede kerner. Eksempler er helium-4, oxygen-16, calcium-40, calcium-48 og bly-208.

Væk fra denne dal er en grænse, kaldet "neutron drop line, "hvor der ikke kan tilføjes flere neutroner uden tab af atombinding." Hvis du tilføjer en anden neutron til kernen, kernen falder bare fra hinanden, eller neutronen 'drypper' ud af kernen, "Hagen sagde." Det definerer grænserne for atomkortet, som omfatter alle kerner, der eksisterer og er bundet af den stærke kraft. "

ORNL -teamets arbejde adresserer spørgsmål som:Hvor mange neutroner kan tilføjes til en kerne, før den falder fra hinanden? Hvor mange stabile kerner findes? Hvordan fanger lettere atomkerner neutroner for at skabe tungere grundstoffer i stjerner?

"Med denne tunge kerne, vi har 78 stærkt interagerende protoner og neutroner som de grundlæggende frihedsgrader, og interaktioner mellem dem, som vi forsøger at beskrive, "Hagen forklarede." At løse dette kvantemekaniske problem med mange organer numerisk er enormt dyrt. Du kan ikke løse det på et stykke papir. Du har brug for en supercomputer. "

For at belyse grundlaget for nikkel-78s magi, teammedlemmerne vendte sig til Titan Cray XK7 -computersystemet på Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science User Facility på ORNL. De kørte atomkonstruktionskoden NUCCOR (Nuclear Coupled Cluster at Oak Ridge) i cirka 5 millioner centrale forarbejdningsenhedstimer, tildelt gennem programmet Innovative and Novel Impact on Theory and Experiment, eller INCITE. Gennem OLCF's Center for Accelerated Application Readiness, Hagen leder arbejde med at forbedre algoritmerne, der bruges i NUCCOR til at beregne større kerner mere effektivt på stadig mere kraftfulde supercomputere.

"Dette er den første realistiske beregning af strukturen af ​​nikkel-78 og dets naboer ud fra de første principper, "sagde Hagen. En kerne har mange energikonfigurationer. I deres simuleringer, ORNL-fysikerne beregnede den første ophidsede tilstand i nikkel-78 og en nabo, nikkel-80. Eksperimenter på RIKEN i Japan har for nylig målt denne tilstand, og det vil være interessant at sammenligne den teoretiske ORNL -forudsigelse med disse data. ORNL-beregningen forudsiger denne tilstand i nikkel-78 ud fra en korrelation med den præcist kendte lignende tilstand i calcium-48. Det afslørede "en underskrift af magi" for nikkel-78, Sagde Hagen.

"Vores forudsigelse siger, at du kan tilføje en eller to neutroner til nikkel-78, og kernen vil stadig være bundet. Vi forudsiger, at dryppelinjen strækker sig ud over nikkel-80, "Hagen sagde." Dette var også et vigtigt fund. "

Næste, forskerne vil undersøge tungere stabile kerner, såsom tin-100 og dets naboer. Fordi tin-100 er placeret lige ved proton droplinjen, tilføjelse af en anden proton får kernen til at falde fra hinanden. "Dette er alle interessante træk ved kernen, som vi kan beregne, "Sagde Hagen.

Titlen på Fysiske gennemgangsbreve papir er "Struktur af 78Ni fra First-Principles Computations."