Fund om kortrækkende nukleare interaktioner vil hjælpe forskere med at undersøge neutronstjerner og tunge radioaktive kerner

Atomer i en gas kan virke som deltagere ved en nanoskopisk rave, med partikler, der lyner rundt, parring, og flyver af sted igen på en tilsyneladende tilfældig måde. Og alligevel er fysikere kommet med formler, der forudsiger denne adfærd, selv når atomerne er ekstremt tæt på hinanden og kan trække og trække i hinanden på komplicerede måder.

Miljøet i kernen af ​​et enkelt atom virker ens, med protoner og neutroner, der også danser omkring. Men fordi kernen er så kompakt et rum, videnskabsmænd har kæmpet for at fastlægge disse partiklers opførsel, kendt som nukleoner, i et atoms kerne. Modeller, der beskriver vekselvirkningerne mellem nukleoner, der er langt fra hinanden, nedbrydes, når partiklerne parrer sig og interagerer på tæt hold.

Nu har et MIT-ledet hold simuleret adfærden af ​​protoner og neutroner i flere typer atomkerner, ved at bruge nogle af de mest kraftfulde supercomputere i verden. Holdet udforskede en bred vifte af nukleare interaktionsmodeller og fandt, overraskende, at formlerne, der beskriver, hvordan atomer opfører sig i en gas, kan generaliseres til at forudsige, hvordan protoner og neutroner interagerer på tæt hold i kernen.

Når nukleonerne er mindre end 1 femtometer – 1 kvadrilliontedel af en meter – fra hinanden, forskerne fandt en anden overraskelse:Partiklerne parrer sig på samme måde, uanset om de bebor en lille kerne som helium eller en mere overfyldt som calcium.

"Disse kortdistancepar er ligeglade med deres miljø - uanset om de er til en stor fest eller en fest på fem, det gør ikke noget - de vil parre sig på samme universelle måde, " siger Reynier Cruz-Torres, som var med til at lede arbejdet som fysikstuderende ved MIT.

Denne kortdistanceadfærd er sandsynligvis universel for alle typer atomkerner, såsom den meget tættere, komplicerede kerner i radioaktive atomer.

"Folk forventede ikke, at denne type model ville fange kerner, som er nogle af de mest komplicerede objekter i fysik, " siger Or Hen, assisterende professor i fysik ved MIT. "På trods af en forskel på mere end 20 størrelsesordener i tæthed mellem et atom og en kerne, vi kan stadig finde denne universelle adfærd og anvende den på mange åbne problemer inden for kernefysik."

Holdet har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Naturfysik . MIT medforfattere inkluderer Axel Schmidt, et forskningsselskab i Laboratory for Nuclear Science, sammen med samarbejdspartnere fra det hebraiske universitet, Los Alamos og Argonne National Laboratories, og forskellige andre institutioner.

Fest par

Hen søger at forstå de rodede interaktioner mellem protoner og neutroner på ekstremt kort afstand, hvor trækket og trækket mellem nukleoner i de helt små, tætte miljø af kernen har været notorisk vanskeligt at fastlægge. Årevis, han har spekuleret på, om et begreb i atomfysik kendt som kontaktformalisme også kunne gælde for kernefysik og kernens indre funktion.

Meget bredt, kontaktformalisme er en generel matematisk beskrivelse, der beviser, at atomers opførsel i en sky afhænger af deres skala:De, der er langt fra hinanden, følger en bestemt fysik, mens atomer meget tæt på hinanden følger et helt separat sæt af fysik. Hver gruppe af atomer udfører deres interaktioner uden at være opmærksomme på den anden gruppes adfærd. Ifølge kontaktformalismen, for eksempel, der vil altid være et vist antal ultratætte par, uanset hvad andet, fjernere atomer gør i skyen.

Hen spekulerede på, om kontaktformalisme også kunne beskrive interaktionerne i et atoms kerne.

"Jeg tænkte, at det ikke kan være, at du ser denne smukke formalisme, det har været en revolution inden for atomfysik, og alligevel kan vi ikke få det til at fungere for kernefysik, " siger Hen. "Det var bare for meget af en forbindelse."

"På menneskelige skalaer"

Forskerne gik først sammen med Ronen Weiss og Nir Barnea ved Hebrew University, som førte udviklingen af ​​en teoretisk generalisering af atomkontaktformalisme, at beskrive et generelt system af interagerende partikler. De så efter at simulere partikler i en lille, tæt, nukleart miljø, at se, om adfærdsmønstre ville opstå blandt kortdistancenukleoner, på en helt adskilt måde fra langtrækkende nukleoner som forudsagt af den generaliserede kontaktformalisme.

Gruppen simulerede partikelinteraktioner inden for flere lette atomkerner, lige fra tre nukleoner i helium, til 40 i calcium. For hver type atomkerne, de kørte en tilfældig prøvetagningsalgoritme for at generere en film af, hvor hver af protonerne og neutronerne i en given kerne kan være over tid.

"På et bestemt tidspunkt, disse partikler kan fordeles én vej, interagere indbyrdes med en given ordning, hvor denne parrer med den, for eksempel, og en tredje partikel bliver sparket i stedet for. Derefter, på et andet tidspunkt, de vil blive fordelt anderledes, " forklarer co-lead forfatter Diego Lonardoni, en fysiker ved Los Alamos National Laboratory og Michigan State University. "Så vi gentager disse beregninger igen og igen for at nå ligevægt."

For at se nogen form for ligevægt, eller mønster, dukke op, holdet skulle simulere al mulig fysik mellem hver partikel, generere tusindvis af snapshots for hver type kerne. At udføre dette antal beregninger ville normalt tage millioner af timers behandlingstid.

"Det ville tage min bærbare computer mere end universets alder at afslutte beregningen, " siger Hen. "Hvis du fordeler beregningen på 10, 000 processorer, du kan få dit resultat i en tid på menneskelige skalaer."

Så holdet brugte supercomputere i Los Alamos og på Argonne National Laboratory - nogle af de mest kraftfulde computere i verden - til at distribuere arbejdet parallelt.

Efter at have kørt simuleringerne, de plottede en fordeling af nukleoner for hver type kerne, de simulerede. For eksempel, for en iltkerne, de fandt en vis procentdel af nukleoner inden for 1 fermi fra hinanden, og en anden procentdel, der var lidt tættere på, og så videre.

Overraskende nok, de fandt det, for langtrækkende nukleoner, fordelingen varierede meget fra en type kerne til en anden. Men for kortdistancenukleoner, der var mindre end 1 femtometer fra hinanden, fordelingen på tværs af atomtyper så nøjagtig ens ud, lige meget om nukleonerne beboede en ultralet heliumkerne eller en tættere kulstofkerne. Med andre ord, kortrækkende nukleoner opførte sig uafhængigt af deres større miljø, svarende til hvordan atomær adfærd beskrives gennem kontaktformalisme.

"Vores fund tilbyder en ny og enkel måde at fastgøre kortdistancedelen af ​​atomdistributionen, som, sammen med eksisterende teori, gør det i det væsentlige muligt at få den fulde distribution, " siger Hen. "Dermed, vi kan teste neutrinoens natur og beregne neutronstjernernes afkølingshastigheder, blandt andre åbne spørgsmål."