At forstå ladede partikler hjælper fysikere med at simulere grundstofskabelse i stjerner

Ny forskning fra North Carolina State University og Michigan State University åbner en ny vej til modellering af lavenergi-kernereaktioner, som er nøglen til dannelsen af ​​grundstoffer i stjerner. Forskningen danner grundlaget for at beregne, hvordan nukleoner interagerer, når partiklerne er elektrisk ladede.

Værket vises i Physical Review Letters .

At forudsige måderne, hvorpå atomkerner – klynger af protoner og neutroner, sammen omtalt som nukleoner – kombineres for at danne større sammensatte kerner, er et vigtigt skridt i retning af at forstå, hvordan grundstoffer dannes i stjerner.

Da de relevante nukleare interaktioner er meget vanskelige at måle eksperimentelt, bruger fysikere numeriske gitter til at simulere disse systemer. Det endelige gitter, der bruges i sådanne numeriske simuleringer, fungerer i det væsentlige som en imaginær boks omkring en gruppe af nukleoner, der sætter fysikere i stand til at beregne egenskaberne af en kerne dannet af disse partikler.

Men sådanne simuleringer har hidtil manglet en måde at forudsige egenskaber, der styrer lavenergireaktioner, der involverer ladede klynger, der stammer fra flere protoner. Dette er vigtigt, fordi disse lavenergireaktioner blandt andet er afgørende for grundstofdannelse i stjerner.

"Mens den 'stærke kernekraft' binder protoner og neutroner sammen i atomkerner, spiller den elektromagnetiske frastødning mellem protoner en vigtig rolle i kernens overordnede struktur og dynamik," siger Sebastian König, assisterende professor i fysik ved NC State og tilsvarende forfatter. af forskningen.

"Denne kraft er særlig stærk ved de laveste energier, hvor mange vigtige processer finder sted, som syntetiserer de elementer, der udgør den verden, vi kender," siger König. "Men det er udfordrende for teorien at forudsige disse interaktioner."

Så König og kolleger besluttede at arbejde baglæns. Deres tilgang ser på slutresultatet af reaktionerne i et gitter – de sammensatte kerner – og går derefter tilbage for at opdage de egenskaber og energier, der er involveret i reaktionen.

"Vi beregner ikke selve reaktionerne, vi kigger snarere på strukturen af ​​slutproduktet," siger König. "Når vi ændrer størrelsen på 'boksen', vil simuleringerne og resultaterne også ændre sig. Fra disse oplysninger kan vi faktisk udtrække parametre, der bestemmer, hvad der sker, når disse ladede partikler interagerer."

"Udledningen af ​​formlen var uventet udfordrende," tilføjer Hang Yu, kandidatstuderende ved NC State og første forfatter til værket, "men det endelige resultat er ret smukt og har vigtige anvendelser."

Ud fra denne information udviklede holdet en formel og testede den mod benchmarkberegninger, som er evalueringer udført via traditionelle metoder, for at sikre, at resultaterne var nøjagtige og klar til at blive brugt i fremtidige applikationer.

"Dette er baggrundsarbejdet, der fortæller os, hvordan vi analyserer en simulering for at udtrække de data, vi har brug for for at forbedre forudsigelser for nukleare reaktioner," siger König. "Kosmos er enormt, men for at forstå det skal du se på dets mindste komponenter. Det er det, vi gør her – med fokus på de små detaljer for bedre at informere vores analyse af det større billede."

NC State kandidatstuderende Hang Yu er første forfatter til værket. Dean Lee, professor i fysik og afdelingsleder for teoretisk nuklearvidenskab ved Facility for Rare Isotope Beams ved Michigan State University, var medforfatter til arbejdet. Lee var tidligere ved NC State og er fortsat adjungeret professor i fysik ved NC State.

Flere oplysninger: Hang Yu et al., Charged-Particle Bound States in Periodic Boxes, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.212502

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af North Carolina State University