Fysikere løser et beta-forfalds-puslespil med avancerede nukleare modeller

Et internationalt samarbejde med forskere ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) løste et 50 år gammelt puslespil, der forklarer, hvorfor beta-henfald af atomkerner er langsommere end hvad der forventes baseret på beta-henfald af frie neutroner .

Fundene, udgivet i Naturfysik , udfylde et langvarigt hul i fysikeres forståelse af beta-henfald, en vigtig proces, stjerner bruger til at skabe tungere grundstoffer, og understrege behovet for at inkludere subtile effekter – eller mere realistisk fysik – når man forudsiger visse nukleare processer.

"I årtier, videnskabsmænd har manglet en første-princippet forståelse af nuklear beta-henfald, hvor protoner omdannes til neutroner, eller omvendt, at danne andre elementer, " sagde ORNL-stabsforsker Gaute Hagen, der ledede undersøgelsen. "Vores team demonstrerede, at teoretiske modeller og beregninger er nået til det punkt, hvor det er muligt at beregne nogle henfaldsegenskaber med tilstrækkelig præcision til at muliggøre direkte sammenligning med eksperimenter."

For at løse problemet, holdet simulerede tin-100 henfaldende til indium-100, et naboelement i det periodiske system. De to grundstoffer deler det samme antal nukleoner (protoner og neutroner), med tin-100, der besidder 50 protoner til indium-100's 49.

Beregning af beta-henfald krævede præcist, at holdet ikke kun nøjagtigt simulerede strukturen af ​​mor- og datterkernerne, men også redegjorde for interaktionerne mellem to nukleoner under overgangen. Denne yderligere behandling udgjorde en ekstrem beregningsmæssig udfordring på grund af kombinationen af ​​stærke nukleare korrelationer og interaktioner, der involverer den henfaldende nukleon.

I fortiden, kernefysikere arbejdede omkring dette problem ved at indsætte en fundamental konstant for at forene observerede beta-henfaldshastigheder af neutroner i og uden for kernen, en praksis kendt som "quenching". Men med maskiner som ORNLs Titan supercomputer, Hagens team demonstrerede, at denne matematiske krykke ikke længere er nødvendig.

"Ingen forstod rigtigt, hvorfor denne slukningsfaktor virkede. Det gjorde den bare, " sagde ORNL computerforsker Gustav Jansen. "Vi fandt ud af, at det stort set kunne forklares ved at inkludere to nukleoner i henfaldet - f.eks. to protoner henfalder til en proton og en neutron, eller en proton og en neutron, der henfalder til to neutroner."

Holdet, som omfattede partnere fra Lawrence Livermore National Laboratory, University of Tennessee, University of Washington, TRIUMF (Canada), og Tekniske Universitet Darmstadt (Tyskland), udført en omfattende undersøgelse af beta-henfald fra lette til mellemtunge kerner op til tin-100.

Præstationen giver kernefysikere øget selvtillid, når de søger efter svar på nogle af de mest forvirrende mysterier relateret til dannelsen af ​​stof i universet. Ud over almindeligt beta-henfald, videnskabsmænd søger at beregne neutrinoløst dobbelt beta-henfald, en teoretiseret form for nukleart henfald, der, hvis det observeres, ville udforske vigtig ny fysik og hjælpe med at bestemme massen af ​​neutrinoen.

Tin to In

Mange grundstoffer har isotoper, der henfalder over lange perioder. For eksempel, halveringstiden for kulstof-14, kernen brugt til kulstofdatering, er 5, 730 år. Andre kerner, imidlertid, eksisterer kun i brøkdele af et sekund, før de udstøder partikler i et forsøg på at stabilisere.

Ved neutron beta-henfald, der udsendes en elektron og en anti-neutrino. Når tin-100 omdannes til indium-100, kernen gennemgår beta-plus henfald, udstøder en positron og en neutrino, når en proton omdannes til en neutron.

Med det samme antal protoner og neutroner, tin-100 udviser en usædvanlig høj grad af beta-henfald, giver ORNL-teamet et stærkt signal, hvorfra det kan verificere dets resultater. Desuden, tin-100 kernen er "dobbelt magi, " hvilket betyder, at nukleonerne udfylder definerede skaller inde i kernen, der gør den stærkt bundet og relativt enkel i strukturen. ORNL-teamets NUCCOR-kode, som er programmeret til at løse det nukleare mangelegemeproblem, udmærker sig ved at beskrive dobbeltmagiske kerner op og ned på atomkortet.

"En dobbelt magisk kerne som tin-100 er ikke så kompliceret som mange andre kerner, sagde Thomas Papenbrock, en forsker ved University of Tennessee og ORNL. "Det betyder, at vi pålideligt kan beregne det ved hjælp af vores koblede klyngemetode, som beregner egenskaber af store kerner ved at tage højde for kræfter mellem de enkelte nukleoner."

For at modellere beta-henfald, imidlertid, holdet skulle også beregne strukturen af ​​indium-100, en mere kompleks kerne end den dobbeltmagiske tin-100. Dette krævede en mere præcis behandling af de stærke korrelationer mellem nukleonerne. Ved at låne ideer fra kvantekemi, som behandler elektroner som bølger, Hagens team udviklede med succes teknikker til at modellere disse processer.

"I vores tilfælde har vi at gøre med nukleoner i stedet for elektroner, men kvantekemikoncepterne har hjulpet os med at forgrene os fra dobbelte magiske kerner og ekspandere ind i disse områder med åben skal, " sagde ORNL-fysiker Titus Morris.

Vejledende eksperiment

Nu hvor Hagens team har vist, at deres forståelse af beta-henfald er på niveau med eksperimentet, det søger at drage fordel af nye supercomputere som ORNL's Summit, verdens mest magtfulde, at vejlede nuværende og fremtidige eksperimenter.

Forskere bruger i øjeblikket Summit til at simulere, hvordan calcium-48, endnu en dobbelt magisk kerne, ville gennemgå neutrinoløst dobbelt beta-henfald - en proces, hvor to neutroner beta-henfald bliver til protoner, men uden at udsende nogen neutrinoer. Resultaterne kan hjælpe eksperimentelister med at vælge et optimalt detektormateriale til den potentielle opdagelse af dette sjældne fænomen.

"I øjeblikket, beregninger ved hjælp af forskellige nukleare modeller af neutrinoløst dobbelt beta-henfald kan variere med så meget som en faktor på seks, " sagde Hagen. "Vores mål er at give et benchmark for andre modeller og teorier."