infos.ro

Indiferent de dimensiunea unei petreceri nucleare, unii protoni și neutroni se vor împerechea mereu și vor dansa | Știri MIT

Jennifer Chu | MIT News Office,news.mit.edu

Atomii dintr-un gaz pot părea ca niște petrecăreți la un rave nanoscopic, cu particule care se învârt, se împerechează și zboară din nou într-un mod aparent aleatoriu. Și totuși, fizicienii au venit cu formule care prezic acest comportament, chiar și atunci când atomii sunt extrem de apropiați unul de celălalt și se pot trage unul de altul în moduri complicate.

Mediul din nucleul unui singur atom pare similar, cu protoni și neutroni, de asemenea, dansând. Dar pentru că nucleul este un spațiu atât de compact, oamenii de știință s-au străduit să stabilească comportamentul acestor particule, cunoscute sub numele de nucleoni, în nucleul unui atom. Modelele care descriu interacțiunile nucleonilor care sunt departe unul de altul se descompun atunci când particulele se împerechează și interacționează la distanță apropiată.

Acum, o echipă condusă de MIT a simulat comportamentul protonilor și neutronilor în mai multe tipuri de nuclee atomice, folosind unele dintre cele mai puternice supercalculatoare din lume. Echipa a explorat o gamă largă de modele de interacțiune nucleară și a descoperit, în mod surprinzător, că formulele care descriu modul în care se comportă atomii într-un gaz pot fi generalizate pentru a prezice modul în care protonii și neutronii interacționează la distanță apropiată în nucleu.

Când nucleonii se află la mai puțin de 1 femtometru – 1 cvadrilionime dintr-un metru – unul de celălalt, cercetătorii au descoperit o altă surpriză: particulele se împerechează în același mod, indiferent dacă locuiesc într-un nucleu mic, cum ar fi heliul, sau într-un nucleu mai aglomerat, cum ar fi calciul.

„Aceste perechi cu rază scurtă de acțiune nu prea le pasă de mediul lor – indiferent dacă sunt într-o petrecere uriașă sau într-un grup de cinci persoane, nu contează – se vor asocia în același mod universal”, spune Reynier Cruz- Torres, care a coordonat munca în calitate de student absolvent la fizică la MIT.

Acest comportament pe distanță scurtă este probabil universal pentru toate tipurile de nuclee atomice, cum ar fi nucleele mult mai dense și complicate din atomii radioactivi.

„Oamenii nu se așteptau ca acest tip de model să capteze nuclee, care sunt unele dintre cele mai complicate obiecte din fizică”, spune Or Hen, profesor asistent de fizică la MIT. „În ciuda unei diferențe de densitate de peste 20 de ordine de mărime între un atom și nucleu, încă putem găsi acest comportament universal și îl putem aplica la multe probleme deschise din fizica nucleară.”

Echipa și-a publicat rezultatele astăzi în jurnal Fizica naturii. Co-autorii MIT includ Axel Schmidt, un afiliat de cercetare în Laboratorul pentru Științe Nucleare, împreună cu colaboratori de la Universitatea Ebraică, Laboratoarele Naționale Los Alamos și Argonne și diverse alte instituții.

Perechi de petrecere

Hen caută să înțeleagă interacțiunile dezordonate dintre protoni și neutroni la distanță extrem de scurtă, unde tracțiunea și tracțiunea dintre nucleoni în mediul foarte mic și dens al nucleului a fost notoriu dificil de identificat. De ani de zile, el s-a întrebat dacă un concept din fizica atomică cunoscut sub numele de formalism de contact s-ar putea aplica și fizicii nucleare și funcționării interioare a nucleului.

Foarte larg, formalismul de contact este o descriere matematică generală care demonstrează că comportamentul atomilor într-un nor depinde de scara lor: cei care sunt departe unul de celălalt urmează o anumită fizică, în timp ce atomii foarte apropiați urmează un set complet separat de fizică. Fiecare grup de atomi își desfășoară interacțiunile fără a ține seama de comportamentul celuilalt grup. Conform formalismului de contact, de exemplu, va exista întotdeauna un anumit număr de perechi ultra apropiate, indiferent de ce fac alți atomi mai îndepărtați în nor.

Hen s-a întrebat dacă formalismul de contact ar putea descrie și interacțiunile din nucleul unui atom.

„M-am gândit că nu se poate vedea acest formalism frumos, care a fost o revoluție în fizica atomică și, totuși, nu putem face ca acesta să funcționeze pentru fizica nucleară”, spune Hen. „A fost o conexiune prea mare.”

„La scară umană”

Cercetătorii au făcut echipă mai întâi cu Ronen Weiss și Nir Barnea de la Universitatea Ebraică, care au condus dezvoltarea unei generalizări teoretice a formalismului de contact atomic, pentru a descrie un sistem general de particule care interacționează. Apoi au căutat să simuleze particulele într-un mediu nuclear mic, dens, pentru a vedea dacă modelele de comportament vor apărea printre nucleonii cu rază scurtă de acțiune, într-un mod complet separat de cel al nucleonilor cu rază lungă, așa cum este prezis de formalismul de contact generalizat.

Grupul a simulat interacțiunile particulelor din mai multe nuclee atomice ușoare, variind de la trei nucleoni în heliu la 40 în calciu. Pentru fiecare tip de nucleu atomic, au rulat un algoritm de eșantionare aleatoriu pentru a genera un film care arată unde ar putea fi fiecare dintre protoni și neutroni dintr-un nucleu dat în timp.

„La un anumit timp, aceste particule pot fi distribuite într-un fel, interacționând între ele cu o schemă dată, în care aceasta se asociază cu aceea, de exemplu, și o a treia particulă este lovită în schimb. Apoi, la un alt timp, ele vor fi distribuite diferit”, explică coautorul principal Diego Lonardoni, fizician la Laboratorul Național Los Alamos și Universitatea de Stat din Michigan. „Așa că repetăm ​​aceste calcule din nou și din nou pentru a ajunge la echilibru.”

Pentru a vedea orice fel de echilibru sau model, echipa a trebuit să simuleze toată fizica posibilă între fiecare particulă, generând mii de instantanee pentru fiecare tip de nucleu. Pentru a efectua în mod normal acest număr de calcule ar dura milioane de ore de procesare.

„Mi-ar trebui laptopului meu mai mult decât vârsta universului pentru a termina calculul”, spune Hen. „Dacă distribuiți calculul între 10.000 de procesoare, puteți obține rezultatul într-un timp la scară umană.”

Deci, echipa a folosit supercalculatoare de la Los Alamos și la Laboratorul Național Argonne – unele dintre cele mai puternice computere din lume – pentru a distribui munca în paralel.

După rularea simulărilor, au trasat o distribuție a nucleonilor pentru fiecare tip de nucleu pe care l-au simulat. De exemplu, pentru un nucleu de oxigen, au găsit un anumit procent de nucleoni la o distanță de 1 fermi, și un alt procent care erau puțin mai aproape și așa mai departe.

În mod surprinzător, ei au descoperit că, pentru nucleonii cu rază lungă, distribuția a variat foarte mult de la un tip de nucleu la altul. Dar pentru nucleonii cu rază scurtă de acțiune, care erau la mai puțin de 1 femtometru unul de celălalt, distribuțiile între tipurile atomice arătau exact la fel, indiferent dacă nucleonii locuiau într-un nucleu de heliu ultraușor sau într-un nucleu de carbon mai dens. Cu alte cuvinte, nucleonii cu rază scurtă de acțiune s-au comportat independent de mediul lor la scară mai mare, similar modului în care comportamentul atomic este descris prin formalismul de contact.

„Descoperirea noastră oferă o modalitate nouă și simplă de a identifica partea pe distanță scurtă a distribuției nucleare care, împreună cu teoria existentă, permite în esență obținerea completă a distribuției”, spune Hen. „Prin aceasta, putem testa natura neutrinului și putem calcula ratele de răcire ale stelelor neutronice, printre alte întrebări deschise.”

Această cercetare a fost susținută, parțial, de Departamentul de Energie al SUA, Fundația Pazy, Fundația Israeliană pentru Știință și Fundația Clore.

Sursa articol

You might also like