Раскрытие тайн Вселенной под кожей атомного ядра

В недавней статье, опубликованной в научном журнале Физика природыИсследователи из Чалмерса совершили прорыв в расчете атомного ядра тяжелого стабильного элемента свинца.

Сильная сила играет главную роль

Несмотря на огромную разницу в размерах между микроскопическим атомным ядром и нейтронной звездой размером в несколько километров, ее свойства во многом контролируются одной и той же физикой. Общий знаменатель сильная сила которые удерживают частицы — протоны и нейтроны — вместе в атомном ядре. Эта же сила также предотвращает коллапс нейтронной звезды. Сильное взаимодействие является фундаментальным во Вселенной, но его трудно включить в вычислительные модели, не в последнюю очередь, когда речь идет о тяжелых атомных ядрах, богатых нейтронами, таких как свинец. Поэтому исследователи столкнулись со многими вопросами без ответа в своих сложных расчетах.

Надежный способ делать расчеты

«Чтобы понять, как действует сильное взаимодействие в веществе, богатом нейтронами, нам нужны осмысленные сравнения между теорией и экспериментом. В дополнение к наблюдениям, сделанным в лабораториях и с помощью телескопов, также необходимы надежные теоретические симуляции. Способные делать такие расчеты для самых тяжелых стабильных элемент — свинец», — говорит Андреас Экстрем, доцент кафедры физики Чалмерса и один из ведущих авторов статьи.

Новая компьютерная модель Чалмерса, которая была разработана с коллегами из Северной Америки и Англии, теперь указывает путь вперед. Он позволяет с высоким разрешением предсказывать свойства изотопа свинца*208 и так называемую «нейтронную оболочку».

Толщина кожи важна

126 нейтронов в атомном ядре образуют внешнюю оболочку, которую можно назвать оболочкой. Насколько толстая кожа, коррелирует с ее сильными прочностными характеристиками. Предсказывая толщину нейтронной оболочки, знания о том, как работает сильное взаимодействие — как в атомных ядрах, так и в нейтронных звездах, — могут увеличиться.

«Мы ожидаем, что нейтронная оболочка будет удивительно тонкой, что может дать новое представление о силе между нейтронами. Одним из ведущих аспектов нашей модели является то, что она не только дает прогнозы, но также имеет возможность оценивать теоретические пределы погрешности. По словам руководителя исследования Кристиана Форсена, профессора физического факультета Чалмерса, «имеет решающее значение для способности продвигаться вперед в науке».

Модель, используемая для распространения вируса Короны

Чтобы разработать новую вычислительную модель, исследователи объединили теории с существующими данными экспериментальных исследований. Затем сложные расчеты были объединены со статистическим методом, который ранее использовался для моделирования потенциального распространения коронавируса.

С новой парадигмой лидерства теперь можно оценить различные предположения о сильной власти. Модель также позволяет делать прогнозы о других атомных ядрах, от самых легких до самых тяжелых.

Прорыв может привести к созданию более точных моделей, например, нейтронных звезд, и расширить знания о том, как эти звезды формируются.

«Наша цель — лучше понять, как сильное взаимодействие ведет себя как в нейтронных звездах, так и в атомных ядрах. Это делает исследования на один шаг ближе к пониманию того, как, например, золото и другие элементы могут образовываться в нейтронных звездах — и в конечном счете, дело доходит до понимания вселенной», — говорит Кристиан Форсен.

Во время исследования ученые работали в Технологическом университете Чалмерса в Швеции, Даремском университете в Великобритании, Вашингтонском университете, Ок-Риджской национальной лаборатории, Университете Теннесси и Аргоннской национальной лаборатории в США, а также в Университете Триумф и Университете Макгилла в Канада.

*Изотоп: Изотоп элемента варьируется в зависимости от количества нейтронов, в данном случае это изотоп свинца 208, который имеет 126 нейтронов (и 82 протона).