Atomen in een gas kunnen lijken op feestvierders op een nanoscopische rave, met deeltjes die rondvliegen, koppelen, en weer wegvliegen op schijnbaar willekeurige wijze. En toch hebben natuurkundigen formules bedacht die dit gedrag voorspellen, zelfs als de atomen extreem dicht bij elkaar staan ​​en op ingewikkelde manieren aan elkaar kunnen trekken en trekken.

De omgeving in de kern van een enkel atoom lijkt op elkaar, met protonen en neutronen die ook ronddansen. Maar omdat de kern zo'n compacte ruimte is, wetenschappers hebben geworsteld om het gedrag van deze deeltjes vast te stellen, bekend als nucleonen, in de kern van een atoom. Modellen die de interacties beschrijven van nucleonen die ver uit elkaar liggen, breken af ​​wanneer de deeltjes paren en op korte afstand interageren.

Nu heeft een door MIT geleid team het gedrag van protonen en neutronen in verschillende soorten atoomkernen gesimuleerd. met behulp van enkele van de krachtigste supercomputers ter wereld. Het team verkende een breed scala aan nucleaire interactiemodellen en vond, verrassend genoeg, dat de formules die beschrijven hoe atomen zich in een gas gedragen, kunnen worden gegeneraliseerd om te voorspellen hoe protonen en neutronen op korte afstand in de kern op elkaar inwerken.

Als nucleonen minder dan 1 femtometer - 1 quadriljoenste van een meter - uit elkaar liggen, vonden de onderzoekers nog een verrassing:de deeltjes paren op dezelfde manier, ongeacht of ze een kleine kern zoals helium bewonen of een meer overvolle zoals calcium.

"Deze korteafstandsparen geven niet echt om hun omgeving - of ze nu in een groot feest zijn of een groep van vijf, het maakt niet uit - ze zullen op dezelfde universele manier paren, " zegt Reynier Cruz-Torres, die het werk leidde als afgestudeerde natuurkundestudent aan het MIT.

Dit gedrag op korte afstand is waarschijnlijk universeel voor alle soorten atoomkernen, zoals de veel dichtere, gecompliceerde kernen in radioactieve atomen.

"Mensen hadden niet verwacht dat dit type model kernen zou vangen, die enkele van de meest gecompliceerde objecten in de natuurkunde zijn, " zegt Of Hen, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. "Ondanks een verschil van meer dan 20 orden van grootte in dichtheid tussen een atoom en een kern, we kunnen dit universele gedrag nog steeds vinden en toepassen op veel open problemen in de kernfysica."

Het team heeft hun resultaten vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica . MIT-co-auteurs zijn onder meer Axel Schmidt, een onderzoeksfiliaal in het Laboratorium voor Nucleaire Wetenschap, samen met medewerkers van de Hebreeuwse Universiteit, Los Alamos en Argonne nationale laboratoria, en diverse andere instellingen.

Feestparen

Hen probeert de rommelige interacties tussen protonen en neutronen op extreem korte afstand te begrijpen, waar het trekken en trekken tussen nucleonen in de zeer kleine, dichte omgeving van de kern is notoir moeilijk vast te pinnen. Voor jaren, hij heeft zich afgevraagd of een concept in de atoomfysica dat bekend staat als contactformalisme, ook van toepassing zou kunnen zijn op de kernfysica en de innerlijke werking van de kern.

heel breed, contactformalisme is een algemene wiskundige beschrijving die aantoont dat het gedrag van atomen in een wolk afhangt van hun schaal:degenen die ver van elkaar verwijderd zijn, volgen een bepaalde fysica, terwijl atomen die heel dicht bij elkaar liggen een geheel afzonderlijke reeks fysica volgen. Elke groep atomen gaat over hun interacties, zich niet bewust van het gedrag van de andere groep. Volgens het contactformalisme, bijvoorbeeld, er zal altijd een bepaald aantal ultraclose paren zijn, ongeacht welke andere, meer verre atomen doen in de cloud.

Hen vroeg zich af of contactformalisme ook de interacties binnen de atoomkern zou kunnen beschrijven.

"Ik dacht dat het niet zo kan zijn dat je dit prachtige formalisme ziet, dat is een revolutie geweest in de atoomfysica, en toch kunnen we het niet laten werken voor kernfysica, "Zegt Hen. "Het was gewoon een te grote connectie."

"Op menselijke schaal"

De onderzoekers werkten eerst samen met Ronen Weiss en Nir Barnea aan de Hebreeuwse Universiteit, die de ontwikkeling leidde van een theoretische generalisatie van het atomaire contactformalisme, om een ​​algemeen systeem van op elkaar inwerkende deeltjes te beschrijven. Vervolgens probeerden ze deeltjes te simuleren in een kleine, gespannen, nucleaire omgeving, om te zien of gedragspatronen zouden ontstaan ​​tussen nucleonen op korte afstand, op een geheel andere manier dan die van nucleonen met een groot bereik, zoals voorspeld door het gegeneraliseerde contactformalisme.

De groep simuleerde deeltjesinteracties binnen verschillende lichte atoomkernen, variërend van drie nucleonen in helium, tot 40 in calcium. Voor elk type atoomkern, ze voerden een willekeurig bemonsteringsalgoritme uit om een ​​film te genereren van waar elk van de protonen en neutronen in een bepaalde kern zich in de loop van de tijd zou kunnen bevinden.

"Op een bepaald moment deze deeltjes kunnen op één manier worden verspreid, onderling in wisselwerking staan ​​met een bepaald schema, waar deze bij die past, bijvoorbeeld, en in plaats daarvan wordt een derde deeltje geschopt. Vervolgens, op een ander tijdstip, ze worden anders verdeeld, " legt mede-hoofdauteur Diego Lonardoni uit, een natuurkundige aan het Los Alamos National Laboratory en de Michigan State University. "Dus we herhalen deze berekeningen keer op keer om evenwicht te bereiken."

Om enige vorm van evenwicht te zien, of patroon, tevoorschijnkomen, het team moest alle mogelijke fysica tussen elk deeltje simuleren, het genereren van duizenden snapshots voor elk type kern. Het uitvoeren van dit aantal berekeningen zou normaal gesproken miljoenen uren aan verwerkingstijd vergen.

"Mijn laptop zou meer dan de leeftijd van het universum nodig hebben om de berekening te voltooien, " Zegt Hen. "Als je de berekening over 10 verdeelt, 000 verwerkers, je kunt je resultaat behalen in een tijd op menselijke schaal."

Het team gebruikte daarom supercomputers in Los Alamos en in Argonne National Laboratory - enkele van de krachtigste computers ter wereld - om het werk parallel te verspreiden.

Na het uitvoeren van de simulaties, ze hebben een verdeling van nucleonen uitgezet voor elk type kern dat ze hebben gesimuleerd. Bijvoorbeeld, voor een zuurstofkern, ze vonden een bepaald percentage nucleonen binnen 1 fermi van elkaar, en een ander percentage dat iets dichterbij was, enzovoort.

Verrassend genoeg, dat vonden ze, voor nucleonen op lange afstand, de verdeling varieerde sterk van het ene type kern tot het andere. Maar voor nucleonen op korte afstand die minder dan 1 femtometer van elkaar verwijderd waren, de verdelingen over atomaire typen zagen er precies hetzelfde uit, het maakt niet uit of de nucleonen een ultralichte heliumkern of een dichtere koolstofkern bewoonden. Met andere woorden, nucleonen op korte afstand gedroegen zich onafhankelijk van hun omgeving op grotere schaal, vergelijkbaar met hoe atomair gedrag wordt beschreven door middel van contactformalisme.

"Onze bevinding biedt een nieuwe en eenvoudige manier om het korteafstandsgedeelte van de nucleaire distributie vast te stellen dat, samen met de bestaande theorie, maakt het in wezen mogelijk om de volledige distributie te krijgen, " Zegt Hen. "Daarmee, we kunnen de aard van het neutrino testen en de afkoelingssnelheden van neutronensterren berekenen, onder andere open vragen."