Atomer i en gas kan verka som en deltagare vid ett nanoskopiskt rave, med partiklar som zippar runt, parar ihop, och flyger iväg igen på ett till synes slumpmässigt sätt. Och ändå har fysiker kommit med formler som förutsäger detta beteende, även när atomerna är extremt nära varandra och kan rycka och dra i varandra på komplicerade sätt.

Miljön inom kärnan av en enda atom verkar liknande, med protoner och neutroner som också dansar omkring. Men eftersom kärnan är ett så kompakt utrymme, forskare har kämpat för att fastställa beteendet hos dessa partiklar, känd som nukleoner, i en atoms kärna. Modeller som beskriver växelverkan mellan nukleoner som är långt ifrån varandra bryts ner när partiklarna parar ihop sig och interagerar på nära håll.

Nu har ett MIT-ledt team simulerat protons och neutroners beteende i flera typer av atomkärnor, använder några av de mest kraftfulla superdatorerna i världen. Teamet utforskade ett brett utbud av nukleära interaktionsmodeller och fann, förvånande, att formlerna som beskriver hur atomer beter sig i en gas kan generaliseras för att förutsäga hur protoner och neutroner interagerar på nära håll i kärnan.

När nukleonerna är mindre än 1 femtometer – 1 kvadriljondels meter – från varandra, forskarna hittade en annan överraskning:partiklarna paras ihop på samma sätt, oavsett om de bor i en liten kärna som helium eller en mer trång sådan som kalcium.

"Dessa kortdistanspar bryr sig inte om sin miljö - oavsett om de är på en stor fest eller en fest på fem, det spelar ingen roll - de kommer att paras ihop på samma universella sätt, "säger Reynier Cruz-Torres, som var med och ledde arbetet som doktorand i fysik vid MIT.

Detta kortdistansbeteende är sannolikt universellt för alla typer av atomkärnor, som den mycket tätare, komplicerade kärnor i radioaktiva atomer.

"Folk förväntade sig inte att den här typen av modell skulle fånga kärnor, som är några av de mest komplicerade objekten i fysiken, säger Or Hen, biträdande professor i fysik vid MIT. "Trots en skillnad i täthet mellan mer än 20 storleksordningar mellan en atom och en kärna, vi kan fortfarande hitta detta universella beteende och tillämpa det på många öppna problem inom kärnfysik."

Teamet har publicerat sina resultat i dag i tidskriften Naturfysik . MIT medförfattare inkluderar Axel Schmidt, en forskningsfilial vid Laboratory for Nuclear Science, tillsammans med medarbetare från hebreiska universitetet, Los Alamos och Argonne National Laboratories, och olika andra institutioner.

Festpar

Hen försöker förstå den röriga interaktionen mellan protoner och neutroner på extremt kort avstånd, där dra och dra mellan nukleoner i de mycket små, kärnkraftens täta miljö har varit notoriskt svår att fastställa. I åratal, han har undrat om ett begrepp inom atomfysik som kallas kontaktformalism också skulle kunna gälla kärnfysik och kärnans inre funktion.

Mycket brett, kontaktformalism är en allmän matematisk beskrivning som bevisar beteendet hos atomer i ett moln beror på deras skala:De som är långt ifrån varandra följer en viss fysik, medan atomer mycket nära varandra följer en helt separat uppsättning fysik. Varje grupp av atomer utför sina interaktioner utan att känna till den andra gruppens beteende. Enligt kontaktformalism, till exempel, det kommer alltid att finnas ett visst antal ultranära par, oavsett vad annat, mer avlägsna atomer gör i molnet.

Hen undrade om kontaktformalism också kunde beskriva interaktionerna inom en atoms kärna.

"Jag tänkte att det inte kan vara så att du ser denna vackra formalism, som har varit en revolution inom atomfysiken, och ändå kan vi inte få det att fungera för kärnfysik, " säger Hen. "Det var bara för mycket av en koppling."

"På mänsklig skala"

Forskarna samarbetade först med Ronen Weiss och Nir Barnea vid Hebrew University, som ledde utvecklingen av en teoretisk generalisering av atomkontaktformalism, för att beskriva ett allmänt system av interagerande partiklar. De försökte sedan simulera partiklar i en liten, tät, kärnkraftsmiljö, för att se om beteendemönster skulle dyka upp bland kortdistansnukleoner, på ett helt skilt sätt från nukleoner med lång räckvidd som förutspåtts av den generaliserade kontaktformalismen.

Gruppen simulerade partikelinteraktioner inom flera lätta atomkärnor, sträcker sig från tre nukleoner i helium, till 40 i kalcium. För varje typ av atomkärna, de körde en slumpmässig samplingsalgoritm för att generera en film där var och en av protonerna och neutronerna i en given kärna kan vara över tid.

"Vid en viss tidpunkt, dessa partiklar kan fördelas på ett sätt, interagerar med varandra med ett givet schema, där denna paras med den, till exempel, och en tredje partikel blir sparkad istället. Sedan, vid en annan tidpunkt, de kommer att fördelas annorlunda, " förklarar medförfattaren Diego Lonardoni, en fysiker vid Los Alamos National Laboratory och Michigan State University. "Så vi upprepar dessa beräkningar om och om igen för att nå jämvikt."

För att se någon form av jämvikt, eller mönster, framträda, teamet var tvungen att simulera all möjlig fysik mellan varje partikel, genererar tusentals ögonblicksbilder för varje typ av kärna. Att utföra detta antal beräkningar skulle normalt ta miljontals timmar av behandlingstid.

"Det skulle ta min bärbara dator mer än universums ålder för att slutföra beräkningen, " säger Hen. "Om du fördelar beräkningen på 10, 000 processorer, du kan få ditt resultat på en tid på mänskliga skalor."

Så teamet använde superdatorer vid Los Alamos och vid Argonne National Laboratory – några av de mest kraftfulla datorerna i världen – för att distribuera arbetet parallellt.

Efter att ha kört simuleringarna, de ritade en fördelning av nukleoner för varje typ av kärna de simulerade. Till exempel, för en syrekärna, de hittade en viss andel nukleoner inom 1 fermi från varandra, och en annan procentandel som var något närmare, och så vidare.

Förvånande, de fann att, för långväga nukleoner, fördelningen varierade mycket från en typ av kärna till en annan. Men för nukleoner med kort räckvidd som var mindre än 1 femtometer från varandra, fördelningarna över atomtyper såg exakt likadana ut, oavsett om nukleonerna bebodde en ultralätt heliumkärna eller en tätare kolkärna. Med andra ord, kortdistansnukleoner betedde sig oberoende av sin större miljö, liknande hur atombeteende beskrivs genom kontaktformalism.

"Vårt fynd erbjuder ett nytt och enkelt sätt att spika fast den korta delen av kärnkraftsdistributionen som, tillsammans med befintlig teori, tillåter i huvudsak hela distributionen, " säger Hen. "Med det, vi kan testa neutrinons natur och beräkna avkylningshastigheten för neutronstjärnor, bland andra öppna frågor. "