Ett internationellt samarbete med forskare vid Department of Energy's (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) löste ett 50 år gammalt pussel som förklarar varför betasönderfall av atomkärnor är långsammare än vad som förväntas baserat på beta-sönderfall av fria neutroner .

Resultaten, publicerad i Naturfysik , fylla en långvarig lucka i fysikers förståelse av beta-förfall, en viktig process som stjärnor använder för att skapa tyngre grundämnen, och betona behovet av att inkludera subtila effekter – eller mer realistisk fysik – när man förutsäger vissa kärntekniska processer.

"I årtionden, forskare har saknat en första-princip förståelse av nukleärt beta-förfall, där protoner omvandlas till neutroner, eller tvärtom, att bilda andra element, " sa ORNL-personalforskaren Gaute Hagen, som ledde studien. "Vårt team visade att teoretiska modeller och beräkningar har utvecklats till den punkt där det är möjligt att beräkna vissa sönderfallsegenskaper med tillräcklig precision för att möjliggöra direkt jämförelse med experiment."

För att lösa problemet, teamet simulerade tenn-100 som sönderfaller till indium-100, ett närliggande element i det periodiska systemet. De två elementen delar samma antal nukleoner (protoner och neutroner), med tenn-100 som har 50 protoner till indium-100:s 49.

Att beräkna beta-sönderfall exakt krävde att teamet inte bara exakt simulerade strukturen hos moder- och dotterkärnorna utan också redogjorde för interaktionerna mellan två nukleoner under övergången. Denna ytterligare behandling utgjorde en extrem beräkningsutmaning på grund av kombinationen av starka kärnkorrelationer och interaktioner som involverar den sönderfallande nukleonen.

Förr, kärnfysiker arbetade kring detta problem genom att infoga en fundamental konstant för att förena observerade beta-sönderfallshastigheter för neutroner inuti och utanför kärnan, en praxis som kallas "släckning". Men med maskiner som ORNLs superdator Titan, Hagens team visade att denna matematiska krycka inte längre är nödvändig.

"Ingen förstod riktigt varför den här släckningsfaktorn fungerade. Den gjorde det bara, ", sa ORNL-beräkningsforskaren Gustav Jansen. "Vi fann att det till stor del kunde förklaras genom att inkludera två nukleoner i sönderfallet - till exempel, två protoner som sönderfaller till en proton och en neutron, eller en proton och en neutron som sönderfaller till två neutroner."

Laget, som inkluderade partners från Lawrence Livermore National Laboratory, University of Tennessee, University of Washington, TRIUMF (Kanada), och Technical University Darmstadt (Tyskland), utfört en omfattande studie av betasönderfall från lätta till medeltunga kärnor upp till tenn-100.

Prestationen ger kärnfysiker ökat självförtroende när de söker efter svar på några av de mest förbryllande mysterierna relaterade till bildningen av materia i universum. Utöver vanlig beta-förfall, forskare letar efter att beräkna neutrinolös dubbel beta-sönderfall, en teoretiserad form av nukleärt förfall som, om det observeras, skulle utforska viktig ny fysik och hjälpa till att bestämma massan av neutrinon.

Tin to In

Många grundämnen har isotoper som sönderfaller under långa tidsperioder. Till exempel, halveringstiden för kol-14, kärnan som används vid koldatering, är 5, 730 år. Andra kärnor, dock, existerar bara i bråkdelar av en sekund innan de sprutar ut partiklar i ett försök att stabilisera.

Vid neutronbeta-sönderfall, en elektron och en anti-neutrino emitteras. När tenn-100 omvandlas till indium-100, kärnan genomgår beta-plus-förfall, utdriva en positron och en neutrino när en proton omvandlas till en neutron.

Med lika många protoner och neutroner, tin-100 uppvisar en ovanligt hög grad av beta-sönderfall, ger ORNL-teamet en stark signal för att verifiera sina resultat. Vidare, tenn-100 kärnan är "dubbelt magi, " vilket betyder att nukleonerna fyller ut definierade skal inuti kärnan som gör den starkt bunden och relativt enkel i strukturen. ORNL-teamets NUCCOR-kod, som är programmerad att lösa det nukleära mångakroppsproblemet, utmärker sig på att beskriva dubbla magiska kärnor upp och ner i kärnvapendiagrammet.

"En dubbelt magisk kärna som tenn-100 är inte lika komplicerad som många andra kärnor, sa Thomas Papenbrock, en forskare vid University of Tennessee och ORNL. "Detta betyder att vi på ett tillförlitligt sätt kan beräkna det med vår kopplade klustermetod, som beräknar egenskaper hos stora kärnor genom att ta hänsyn till krafter mellan de enskilda nukleonerna."

För att modellera beta-förfall, dock, laget var också tvungen att beräkna strukturen för indium-100, en mer komplex kärna än den dubbelt magiska tenn-100. Detta krävde en mer exakt behandling av de starka korrelationerna mellan nukleonerna. Genom att låna idéer från kvantkemin, som behandlar elektroner som vågor, Hagens team utvecklade framgångsrikt tekniker för att modellera dessa processer.

"I vårt fall har vi att göra med nukleoner istället för elektroner, men kvantkemin har hjälpt oss att förgrena oss från dubbla magiska kärnor och expandera till dessa områden med öppet skal, " sa ORNL-fysikern Titus Morris.

Vägledande experiment

Nu när Hagens team har visat att deras förståelse av beta-förfall är i nivå med experiment, det vill dra nytta av nya superdatorer som ORNL's Summit, världens mäktigaste, att vägleda nuvarande och framtida experiment.

Forskare använder för närvarande Summit för att simulera hur kalcium-48, ytterligare en dubbelt magisk kärna, skulle genomgå neutrinolöst dubbel beta-sönderfall - en process där två neutroner beta-sönderfaller till protoner, men utan att avge några neutriner. Resultaten kan hjälpa experimentalister i valet av ett optimalt detektormaterial för den potentiella upptäckten av detta sällsynta fenomen.

"För närvarande, beräkningar med olika kärnmodeller av neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall kan skilja sig med så mycket som en faktor sex, ", sa Hagen. "Vårt mål är att ge ett riktmärke för andra modeller och teorier."