Forudsagte grænser for atomkerner:Forskere simulerer et stort område af nukliderne

Nye beregninger har gjort det muligt at studere næsten 700 isotoper mellem helium og jern, viser hvilke kerner der kan eksistere og hvilke der ikke kan. I en artikel offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve , forskere fra TU Darmstadt, University of Washington, det canadiske laboratorium TRIUMF, og University of Mainz rapporterer, hvordan de for første gang ved hjælp af innovative teoretiske metoder simulerede en stor del af diagrammet over nuklider baseret på teorien om den stærke interaktion.

Atomkerner holdes sammen af ​​den stærke interaktion mellem neutroner og protoner. Omkring ti procent af alle kendte kerner er stabile. Ud fra disse stabile isotoper, kerner bliver mere og mere ustabile, når neutroner tilføjes eller fjernes, indtil neutroner ikke længere kan binde sig til kernen og 'dryppe' ud. Denne grænse for tilværelsen, den såkaldte neutron-dryplinje, ' er indtil videre kun blevet opdaget eksperimentelt for lette elementer op til neon. Forståelse af neutrondryplinjen og strukturen af ​​neutronrige kerner spiller også en nøglerolle i forskningsprogrammet for den fremtidige acceleratorfacilitet FAIR ved GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Darmstadt.

I en ny undersøgelse, "Ab Initio grænser for kerner, "offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve som et redaktørforslag med en tilhørende synopsis i APS Physics, Professor Achim Schwenk fra TU Darmstadt og en Max Planck Fellow ved MPI for Nuclear Physics i Heidelberg, sammen med videnskabsmænd fra University of Washington, TRIUMF og University of Mainz, lykkedes med at beregne grænserne for atomkerner ved hjælp af innovative teoretiske metoder op til mellemmassekerner. Resultaterne er en skattekiste af information om mulige nye isotoper og giver en køreplan for atomfysikere til at verificere dem.

Den nye undersøgelse er ikke det første forsøg på teoretisk at undersøge den ekstremt neutronrige region i atomlandskabet. Tidligere undersøgelser brugte tæthedsfunktionel teori til at forudsige bundne isotoper mellem helium og de tunge grundstoffer. Professor Schwenk og kolleger, på den anden side, udforskede diagrammet over nuklider for første gang baseret på ab initio nuklear teori. Med udgangspunkt i mikroskopiske to- og tre-kropsinteraktioner, de løste mange-partikel Schrödinger-ligningen for at simulere egenskaberne af atomkerner fra helium til jern. De opnåede dette ved at bruge en ny ab initio mange-legeme-metode - In-Medium Similarity Renormalization Group - kombineret med en forlængelse, der kan håndtere delvist fyldte orbitaler for pålideligt at bestemme alle kerner.

Med udgangspunkt i to- og tre-nukleon-interaktioner baseret på den stærke interaktion, kvantekromodynamik, forskerne beregnede grundtilstandsenergierne for næsten 700 isotoper. Resultaterne stemmer overens med tidligere målinger og tjener som grundlag for at bestemme placeringen af ​​neutron- og protondryplinjerne. Sammenligninger med eksperimentelle massemålinger og en statistisk analyse gjorde det muligt at bestemme teoretiske usikkerheder for deres forudsigelser, såsom for kernernes separationsenergier og dermed også for sandsynligheden for, at en isotop er bundet eller ikke findes (se figur).

Det nye studie anses for at være en milepæl i forståelsen af, hvordan diagrammet over nuklider og strukturen af ​​kerner opstår fra det stærke samspil. Dette er et nøglespørgsmål for det DFG-finansierede Collaborative Research Center 1245 "Nuclei:From Fundamental Interactions to Structure and Stars" ved TU Darmstadt, inden for hvilken denne forskning er udført. Næste, forskerne ønsker at udvide deres beregninger til tungere elementer for at fremme input til simulering af syntesen af ​​tunge elementer. Dette fortsætter i neutronrige miljøer i retning af neutrondryplinjen og forekommer i naturen, når neutronstjerner smelter sammen eller i ekstreme supernovaer.