Een team in het PRISMA+-cluster van excellentie aan de Johannes Gutenberg-universiteit in Mainz is erin geslaagd te berekenen hoe atoomkernen van het calciumelement zich gedragen bij botsingen met elektronen. De resultaten komen zeer goed overeen met de beschikbare experimentele gegevens. Voor de eerste keer, een berekening op basis van een fundamentele theorie is in staat om experimenten voor een kern zo zwaar als calcium correct te beschrijven. Van bijzonder belang is het potentieel dat dergelijke berekeningen in de toekomst zouden kunnen hebben om neutrino-experimenten te interpreteren. Het gerenommeerde tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven rapporteert over de bereikte mijlpaal in zijn huidige volume.

De nieuwe publicatie komt voort uit de groep onder leiding van Prof. Sonia Bacca, Hoogleraar theoretische kernfysica in het excellentiecluster PRISMA+, in samenwerking met Oak Ridge National Laboratory. Bacca werkt met groot succes bij het voorspellen van verschillende eigenschappen van atoomkernen die ze afleiden uit de interacties tussen hun bestanddelen - de nucleonen - die kunnen worden beschreven binnen de chirale effectieve veldtheorie. Haar onderzoek is gericht op het leggen van een solide verbinding tussen experimentele waarnemingen en de onderliggende theorie van de kwantumchromodynamica. in de natuurkunde, een dergelijke procedure wordt beschreven als een ab initio berekening.

Ook dwarsdoorsneden van atoomkernen onderzocht door externe velden, bijvoorbeeld door de interactie met elektronen of andere deeltjes, binnen dezelfde theorie kan worden beschreven. Deze procedure is essentieel voor het verklaren van bestaande gegevens en het interpreteren van toekomstige experimenten, bijvoorbeeld in de neutrinofysica — een belangrijk aandachtspunt van het PRISMA+-onderzoeksprogramma.

Neutrino's begrijpen

Neutrino's zijn ongrijpbare deeltjes die constant onze aarde binnendringen, maar die erg moeilijk te detecteren en te begrijpen zijn. Met nieuwe geplande experimenten, zoals het DUNE-experiment in de VS, wetenschappers willen hun fundamentele eigenschappen onderzoeken, bijvoorbeeld, het fenomeen waarbij het ene type neutrino's in het andere verandert - in technisch jargon genoemd, neutrino oscillatie. Om dat te bereiken, ze hebben belangrijke informatie nodig uit theoretische berekeningen. specifiek, de relevante vraag is:hoe interageren neutrino's met atoomkernen in de detector?

Omdat experimentele gegevens over de verstrooiing van neutrino's op atoomkernen zeldzaam zijn, het team van onderzoekers keek eerst naar de verstrooiing van een ander lepton - het elektron - waarvoor experimentele gegevens beschikbaar zijn. "Calcium 40 is ons testsysteem, bij wijze van spreken, " legt Dr. Joanna Sobczyk uit, postdoc in Mainz en eerste auteur van de studie. "Met onze nieuwe ab initio-methode konden we heel precies berekenen wat er gebeurt met elektronenverstrooiing en hoe de atoomkern Calcium zich gedraagt."

Dit is een groot succes:tot nu toe was het niet mogelijk om dergelijke berekeningen uit te voeren voor een element zo zwaar als Calcium, die uit 40 nucleonen bestaat. "We zijn erg blij dat we erin geslaagd zijn om in principe aan te tonen dat onze methode betrouwbaar werkt, " zegt Sonia Bacca. "Nu begint een nieuw tijdperk, waar de ab initio-methoden kunnen worden gebruikt om de verstrooiing van leptonen - waaronder elektronen en neutrino's - op kernen te beschrijven, zelfs voor 40 nucleonen."

"Een van de leukste kenmerken van onze aanpak is dat we hiermee de onzekerheden die samenhangen met onze berekening rigoureus kunnen kwantificeren. Het kwantificeren van onzekerheid is erg tijdrovend, maar uiterst belangrijk om de theorie op de juiste manier te kunnen vergelijken met het experiment, " zegt Dr. Bijaya Acharya, PRISMA+ postdoc en tevens co-auteur van de studie.

Nadat ze het potentieel van hun methode voor Calcium konden laten zien, het onderzoeksteam wil in de toekomst kijken naar het element argon en zijn interactie met neutrino's. Argon zal een belangrijke rol spelen als doelwit in het geplande DUNE-experiment.