Een internationale samenwerking met wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE) heeft een 50 jaar oude puzzel opgelost die verklaart waarom bètaverval van atoomkernen langzamer is dan verwacht op basis van bètaverval van vrije neutronen .

De bevindingen, gepubliceerd in Natuurfysica , een al lang bestaande leemte opvullen in het begrip van natuurkundigen van bètaverval, een belangrijk proces dat sterren gebruiken om zwaardere elementen te creëren, en benadrukken de noodzaak om subtiele effecten - of meer realistische fysica - op te nemen bij het voorspellen van bepaalde nucleaire processen.

"Al decenia, wetenschappers hebben geen begrip van de eerste beginselen van nucleair bètaverval, waarin protonen worden omgezet in neutronen, of vice versa, andere elementen vormen, " zei ORNL-stafwetenschapper Gaute Hagen, die de studie leidde. "Ons team heeft aangetoond dat theoretische modellen en berekeningen zover zijn gevorderd dat het mogelijk is om enkele vervaleigenschappen met voldoende precisie te berekenen om directe vergelijking met experiment mogelijk te maken."

Het probleem oplossen, het team simuleerde tin-100 dat vervalt tot indium-100, een naburig element op het periodiek systeem. De twee elementen delen hetzelfde aantal nucleonen (protonen en neutronen), met tin-100 met 50 protonen tot indium-100's 49.

Om bètaverval precies te berekenen, moest het team niet alleen de structuur van de moeder- en dochterkernen nauwkeurig simuleren, maar ook rekening houden met de interacties tussen twee nucleonen tijdens de overgang. Deze aanvullende behandeling vormde een extreme computationele uitdaging vanwege de combinatie van sterke nucleaire correlaties en interacties met het vervallende nucleon.

Vroeger, kernfysici hebben dit probleem omzeild door een fundamentele constante in te voegen om de waargenomen bèta-vervalsnelheden van neutronen binnen en buiten de kern met elkaar te verzoenen, een praktijk die bekend staat als 'quenching'. Maar met machines zoals ORNL's Titan supercomputer, Hagens team toonde aan dat deze wiskundige kruk niet meer nodig is.

"Niemand begreep echt waarom deze uitdovingsfactor werkte. Het deed het gewoon, " zei ORNL-computerwetenschapper Gustav Jansen. "We ontdekten dat het grotendeels kon worden verklaard door twee nucleonen in het verval op te nemen - bijvoorbeeld, twee protonen die vervallen in een proton en een neutron, of een proton en een neutron die in twee neutronen vervallen."

Het team, waaronder partners van het Lawrence Livermore National Laboratory, Universiteit van Tennessee, Universiteit van Washington, TRIUMF (Canada), en Technische Universiteit Darmstadt (Duitsland), voerde een uitgebreide studie uit van bètaverval van lichte tot middelzware kernen tot tin-100.

De prestatie geeft kernfysici meer vertrouwen bij het zoeken naar antwoorden op enkele van de meest verbijsterende mysteries met betrekking tot de vorming van materie in het universum. Naast regulier bètaverval, wetenschappers willen neutrinoloos dubbel bètaverval berekenen, een theoretische vorm van nucleair verval dat, indien waargenomen, zou belangrijke nieuwe fysica onderzoeken en helpen om de massa van het neutrino te bepalen.

Tin naar In

Veel elementen hebben isotopen die gedurende lange tijd vervallen. Bijvoorbeeld, de halfwaardetijd van koolstof-14, de kern die wordt gebruikt bij koolstofdatering, is 5, 730 jaar. andere kernen, echter, bestaan ​​slechts gedurende fracties van een seconde voordat deeltjes worden uitgeworpen in een poging zich te stabiliseren.

Bij neutronen-bèta-verval, een elektron en een anti-neutrino worden uitgezonden. Wanneer tin-100 verandert in indium-100, de kern ondergaat beta-plus verval, het verdrijven van een positron en een neutrino bij het omzetten van een proton in een neutron.

Met zijn gelijk aantal protonen en neutronen, tin-100 vertoont een ongewoon hoge mate van bètaverval, het ORNL-team een ​​sterk signaal geven om de resultaten te verifiëren. Verder, de tin-100-kern is "dubbel magisch, " wat betekent dat de nucleonen gedefinieerde schillen in de kern vullen die deze sterk gebonden en relatief eenvoudig van structuur maken. De NUCCOR-code van het ORNL-team, die is geprogrammeerd om het nucleaire veellichamenprobleem op te lossen, blinkt uit in het beschrijven van dubbel magische kernen op en neer op de nucleaire kaart.

"Een dubbel magische kern zoals tin-100 is niet zo ingewikkeld als veel andere kernen, " zei Thomas Papenbrock, een onderzoeker aan de Universiteit van Tennessee en ORNL. "Dit betekent dat we het betrouwbaar kunnen berekenen met behulp van onze gekoppelde clustermethode, die eigenschappen van grote kernen berekent door rekening te houden met krachten tussen de afzonderlijke nucleonen."

Om bètaverval te modelleren, echter, het team moest ook de structuur van indium-100 berekenen, een complexere kern dan de dubbel magische tin-100. Dit vereiste een meer nauwkeurige behandeling van de sterke correlaties tussen de nucleonen. Door ideeën te lenen uit de kwantumchemie, die elektronen als golven behandelt, Het team van Hagen heeft met succes technieken ontwikkeld om deze processen te modelleren.

"In ons geval hebben we te maken met nucleonen in plaats van elektronen, maar de concepten van de kwantumchemie hebben ons geholpen om uit dubbel magische kernen te vertakken en uit te breiden naar deze gebieden met open schil, " zei ORNL-natuurkundige Titus Morris.

Begeleidend experiment

Nu het team van Hagen heeft aangetoond dat het begrip van bètaverval vergelijkbaar is met experiment, het wil profiteren van nieuwe supercomputers zoals ORNL's Summit, 's werelds machtigste, om huidige en toekomstige experimenten te begeleiden.

Onderzoekers gebruiken momenteel Summit om te simuleren hoe calcium-48, nog een dubbel magische kern, neutrinoloos dubbel bètaverval zou ondergaan - een proces waarbij twee neutronen bètaverval in protonen, maar zonder neutrino's uit te stoten. De resultaten kunnen experimentatoren helpen bij de selectie van een optimaal detectormateriaal voor de mogelijke ontdekking van dit zeldzame fenomeen.

"Momenteel, berekeningen met verschillende nucleaire modellen van neutrinoloos dubbel bètaverval kunnen tot een factor zes verschillen, "Zei Hagen. "Ons doel is om een ​​benchmark te bieden voor andere modellen en theorieën."