Ett team i PRISMA+-klustret av excellens vid Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz lyckades beräkna hur atomkärnor i kalciumelementet beter sig vid kollisioner med elektroner. Resultaten överensstämmer mycket väl med tillgängliga experimentella data. För första gången, en beräkning baserad på en grundläggande teori är kapabel att korrekt beskriva experiment för en kärna så tung som kalcium. Av särskild relevans är potentialen som sådana beräkningar skulle kunna ha i framtiden för att tolka neutrinoexperiment. Den berömda tidskriften Fysiska granskningsbrev rapporterar om den uppnådda milstolpen i sin nuvarande volym.

Den nya publikationen kommer från gruppen som leds av Prof. Sonia Bacca, Professor för teoretisk kärnfysik i klustret av excellens PRISMA+, i samarbete med Oak Ridge National Laboratory. Bacca arbetar med stor framgång med att förutsäga olika egenskaper hos atomkärnor som härleder dem från interaktionerna mellan deras beståndsdelar - nukleonerna - som kan beskrivas inom kiral effektiv fältteori. Hennes forskning syftar till att ge en solid koppling mellan experimentella observationer och den underliggande teorin om kvantkromodynamik. I fysik, ett sådant förfarande beskrivs som en ab initio-beräkning.

Även tvärsnitt av atomkärnor som sonderas av yttre fält, till exempel genom interaktion med elektroner eller andra partiklar, kan beskrivas inom samma teori. Denna procedur är nyckeln till att förklara befintliga data och tolka framtida experiment, till exempel inom neutrinofysik — ett viktigt fokus för forskningsprogrammet PRISMA+.

Förstå neutrinos

Neutrinos är svårfångade partiklar som ständigt penetrerar vår jord men är mycket svåra att upptäcka och förstå. Med nya planerade experiment, som DUNE-experimentet i USA, forskare vill undersöka deras grundläggande egenskaper, till exempel, fenomenet där en typ av neutriner förvandlas till en annan - kallas på teknisk jargong, neutrinoscillation. För att uppnå det, de behöver viktig information från teoretiska beräkningar. Specifikt, den relevanta frågan är:Hur interagerar neutriner med atomkärnor i detektorn?

Eftersom experimentella data om spridningen av neutriner på atomkärnor är sällsynta, forskarlaget tittade först på spridningen av en annan lepton — elektronen — för vilken experimentella data finns tillgängliga. "Kalcium 40 är vårt testsystem, så att säga, " förklarar Dr. Joanna Sobczyk, postdoc i Mainz och första författare till studien. "Med vår nya ab initio-metod kunde vi beräkna mycket exakt vad som händer med elektronspridning och hur kalciumatomkärnan beter sig."

Detta är en stor framgång:hittills har det inte varit möjligt att utföra sådana beräkningar för ett så tungt grundämne som kalcium, som består av 40 nukleoner. "Vi är mycket nöjda med att vi har lyckats visa att vår metod fungerar tillförlitligt, " säger Sonia Bacca. "Nu börjar en ny era, där ab initio-metoderna kan användas för att beskriva spridningen av leptoner – dessa inkluderar elektroner och neutriner – på kärnor, även för 40 nukleoner."

"En av de trevligaste funktionerna i vårt tillvägagångssätt är att det tillåter oss att noggrant kvantifiera osäkerheter förknippade med vår beräkning. Kvantifiering av osäkerhet är mycket tidskrävande, men extremt viktigt för att på lämpligt sätt kunna jämföra teori mot experiment, " kommenterar Dr Bijaya Acharya, PRISMA+ postdoc och även medförfattare till studien.

Efter att de kunde visa potentialen i deras metod för kalcium, forskargruppen vill titta på grundämnet Argon och dess interaktion med neutriner i framtiden. Argon kommer att spela en viktig roll som mål i det planerade DUNE-experimentet.