Atomkerner og leptoner:Milepæl nået i beregningen af ​​tværsnit

Et hold i PRISMA+ cluster of excellence på Johannes Gutenberg Universitetet i Mainz lykkedes med at beregne, hvordan atomkerner i Calcium-elementet opfører sig ved kollisioner med elektroner. Resultater stemmer meget godt overens med tilgængelige eksperimentelle data. For første gang, en beregning baseret på en grundlæggende teori er i stand til korrekt at beskrive eksperimenter for en kerne så tung som Calcium. Af særlig relevans er det potentiale, som sådanne beregninger kunne have i fremtiden til at fortolke neutrinoeksperimenter. Det anerkendte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve rapporterer om den opnåede milepæl i dets nuværende volumen.

Den nye publikation stammer fra gruppen ledet af prof. Sonia Bacca, Professor i teoretisk kernefysik i cluster of excellence PRISMA+, i samarbejde med Oak Ridge National Laboratory. Bacca arbejder med stor succes med at forudsige forskellige egenskaber ved atomkerner, der udleder dem fra interaktionerne mellem deres bestanddele - nukleonerne - som kan beskrives inden for chiral effektiv feltteori. Hendes forskning sigter mod at give en solid forbindelse mellem eksperimentelle observationer og den underliggende teori om kvantekromodynamik. I fysikken, en sådan procedure beskrives som en ab initio-beregning.

Også tværsnit af atomkerner undersøgt af eksterne felter, for eksempel gennem interaktion med elektroner eller andre partikler, kan beskrives inden for samme teori. Denne procedure er nøglen til at forklare eksisterende data og fortolke fremtidige eksperimenter, for eksempel inden for neutrinofysik — et vigtigt fokus i PRISMA+ forskningsprogrammet.

Forståelse af neutrinoer

Neutrinoer er undvigende partikler, der konstant trænger ind på vores Jord, men som er meget svære at opdage og forstå. Med nye planlagte eksperimenter, såsom DUNE-eksperimentet i USA, videnskabsmænd ønsker at undersøge deres grundlæggende egenskaber, for eksempel, det fænomen, hvor en type neutrinoer forvandles til en anden - kaldet i teknisk jargon, neutrinoscillation. For at opnå det, de har brug for vigtige oplysninger fra teoretiske beregninger. Specifikt, det relevante spørgsmål er:Hvordan interagerer neutrinoer med atomkerner i detektoren?

Da eksperimentelle data om spredning af neutrinoer på atomkerner er sjældne, holdet af forskere så først på spredningen af ​​en anden lepton - elektronen - som der er tilgængelige eksperimentelle data for. "Calcium 40 er vores testsystem, så at sige, " forklarer Dr. Joanna Sobczyk, postdoc i Mainz og førsteforfatter af undersøgelsen. "Med vores nye ab initio-metode var vi i stand til at beregne meget præcist, hvad der sker med elektronspredning, og hvordan Calcium-atomkernen opfører sig."

Dette er en stor succes:Indtil nu har det ikke været muligt at udføre sådanne beregninger for et grundstof så tungt som Calcium, som består af 40 nukleoner. "Vi er meget glade for, at det er lykkedes os grundlæggende at vise, at vores metode fungerer pålideligt, " siger Sonia Bacca. "Nu begynder en ny æra, hvor ab initio metoderne kan bruges til at beskrive spredningen af ​​leptoner - disse omfatter elektroner og neutrinoer - på kerner, selv for 40 nukleoner."

"En af de bedste træk ved vores tilgang er, at den giver os mulighed for strengt at kvantificere usikkerheder forbundet med vores beregning. Usikkerhedskvantificering er meget tidskrævende, men ekstremt vigtigt for at kunne sammenligne teori med eksperiment, " kommenterer Dr. Bijaya Acharya, PRISMA+ postdoc og desuden medforfatter til undersøgelsen.

Efter at de var i stand til at vise potentialet i deres metode til Calcium, forskerholdet ønsker at se på grundstoffet Argon og dets interaktion med neutrinoer i fremtiden. Argon vil spille en vigtig rolle som mål i det planlagte DUNE-eksperiment.