Ny forskning från North Carolina State University och Michigan State University öppnar en ny väg för modellering av lågenergikärnreaktioner, som är nyckeln till bildandet av element i stjärnor. Forskningen lägger grunden för att beräkna hur nukleoner interagerar när partiklarna är elektriskt laddade.
Verket visas i Physical Review Letters .
Att förutsäga hur atomkärnor – kluster av protoner och neutroner, tillsammans kallade nukleoner – kombineras för att bilda större sammansatta kärnor är ett viktigt steg mot att förstå hur grundämnen bildas i stjärnor.
Eftersom de relevanta nukleära interaktionerna är mycket svåra att mäta experimentellt använder fysiker numeriska gitter för att simulera dessa system. Det finita gittret som används i sådana numeriska simuleringar fungerar i huvudsak som en imaginär låda runt en grupp nukleoner som gör det möjligt för fysiker att beräkna egenskaperna hos en kärna som bildas av dessa partiklar.
Men sådana simuleringar har hittills saknat ett sätt att förutsäga egenskaper som styr lågenergireaktioner som involverar laddade kluster som härrör från flera protoner. Detta är viktigt eftersom dessa lågenergireaktioner är avgörande för bland annat elementbildning i stjärnor.
"Medan den "starka kärnkraften" binder samman protoner och neutroner i atomkärnor, spelar den elektromagnetiska repulsionen mellan protoner en viktig roll i kärnans övergripande struktur och dynamik, säger Sebastian König, biträdande professor i fysik vid NC State och motsvarande författare. av forskningen.
"Denna kraft är särskilt stark vid de lägsta energierna, där många viktiga processer äger rum som syntetiserar de element som utgör världen vi känner till", säger König. "Men det är utmanande för teorin att förutsäga dessa interaktioner."
Så König och kollegor bestämde sig för att arbeta baklänges. Deras tillvägagångssätt tittar på slutresultatet av reaktionerna inom ett gitter – de sammansatta kärnorna – och går sedan tillbaka för att upptäcka egenskaperna och energierna som är involverade i reaktionen.
"Vi beräknar inte själva reaktionerna, vi tittar snarare på strukturen på slutprodukten", säger König. "När vi ändrar storleken på 'lådan' kommer simuleringarna och resultaten också att ändras. Från denna information kan vi faktiskt extrahera parametrar som avgör vad som händer när dessa laddade partiklar interagerar."
"Hurledningen av formeln var oväntat utmanande", tillägger Hang Yu, doktorand vid NC State och första författare till verket, "men slutresultatet är ganska vackert och har viktiga tillämpningar."
Utifrån denna information utvecklade teamet en formel och testade den mot benchmarkberäkningar, som är utvärderingar gjorda med traditionella metoder, för att säkerställa att resultaten var korrekta och redo att användas i framtida tillämpningar.
"Detta är bakgrundsarbetet som talar om för oss hur man analyserar en simulering för att extrahera data vi behöver för att förbättra förutsägelser för kärnreaktioner", säger König. "Kosmos är enormt, men för att förstå det måste du titta på dess minsta komponenter. Det är vad vi gör här – fokusera på de små detaljerna för att bättre informera vår analys av den större bilden."
NC State doktorand Hang Yu är första författare till verket. Dean Lee, professor i fysik och avdelningschef för teoretisk kärnvetenskap vid Facility for Rare Isotope Beams vid Michigan State University, var medförfattare till arbetet. Lee var tidigare vid NC State och är fortfarande adjungerad professor i fysik vid NC State.
Mer information: Hang Yu et al, Charged-Particle Bound States in Periodic Boxes, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.212502
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av North Carolina State University
