Dit probleem is nu opgelost door een internationaal team van onderzoekers uit Duitsland, Turkije, de VS, China, Zuid-Korea en Frankrijk met behulp van de nieuwe methode van golffunctie-matching. Met deze methode werden bijvoorbeeld de massa's en stralen van alle kernen tot massagetal 50 berekend. De resultaten komen overeen met de metingen, rapporteren de onderzoekers nu in het tijdschrift Nature .

Alle materie op aarde bestaat uit kleine deeltjes die bekend staan ​​als atomen. Elk atoom bevat nog kleinere deeltjes:protonen, neutronen en elektronen. Elk van deze deeltjes volgt de regels van de kwantummechanica. De kwantummechanica vormt de basis van de kwantumveeldeeltjestheorie, die systemen beschrijft met veel deeltjes, zoals atoomkernen.

Eén klasse van methoden die door kernfysici worden gebruikt om atoomkernen te bestuderen, is de ab initio-benadering. Het beschrijft complexe systemen door te beginnen met een beschrijving van hun elementaire componenten en hun interacties. In het geval van de kernfysica zijn de elementaire componenten protonen en neutronen. Enkele belangrijke vragen die ab initio-berekeningen kunnen helpen beantwoorden zijn de bindingsenergieën en eigenschappen van atoomkernen en het verband tussen de nucleaire structuur en de onderliggende interacties tussen protonen en neutronen.

Deze ab initio-methoden hebben echter problemen bij het uitvoeren van betrouwbare berekeningen voor systemen met complexe interacties. Eén van deze methoden zijn kwantum Monte Carlo-simulaties. Hier worden hoeveelheden berekend met behulp van willekeurige of stochastische processen.

Hoewel kwantum Monte Carlo-simulaties efficiënt en krachtig kunnen zijn, hebben ze een aanzienlijke zwakte:het tekenprobleem. Het ontstaat in processen met positieve en negatieve gewichten, die elkaar opheffen. Deze annulering leidt tot onnauwkeurige definitieve voorspellingen.

Een nieuwe aanpak, bekend als golffunctiematching, is bedoeld om dergelijke rekenproblemen voor ab initio-methoden te helpen oplossen.

"Dit probleem wordt opgelost door de nieuwe methode van golffunctie-matching door het gecompliceerde probleem in een eerste benadering in kaart te brengen op een eenvoudig modelsysteem dat dergelijke tekenoscillaties niet heeft en vervolgens de verschillen in de verstoringstheorie te behandelen", zegt prof. Ulf-G. Meißner van het Helmholtz Instituut voor Straling en Kernfysica van de Universiteit van Bonn en van het Instituut voor Kernfysica en het Centrum voor Geavanceerde Simulatie en Analyse van het Forschungszentrum Jülich.

"Als voorbeeld werden de massa's en stralen van alle kernen tot massagetal 50 berekend - en de resultaten komen overeen met de metingen", meldt Meißner, die ook lid is van de Transdisciplinaire Onderzoeksgebieden "Modeling" en "Matter" bij de Universiteit van Bonn.

"In de kwantum-veeldeeltjestheorie worden we vaak geconfronteerd met de situatie dat we berekeningen kunnen uitvoeren met behulp van een eenvoudige geschatte interactie, maar realistische hifi-interacties veroorzaken ernstige rekenproblemen", zegt Dean Lee, hoogleraar natuurkunde van de Facility for Rare. Istope Beams en Department of Physics and Astronomy (FRIB) aan de Michigan State University en hoofd van het Department of Theoretical Nuclear Sciences.

Golffunctie-matching lost dit probleem op door het korteafstandsgedeelte van de hifi-interactie te verwijderen en te vervangen door het korteafstandsgedeelte van een gemakkelijk berekenbare interactie. Deze transformatie wordt uitgevoerd op een manier die alle belangrijke eigenschappen van de oorspronkelijke realistische interactie behoudt.

Omdat de nieuwe golffuncties vergelijkbaar zijn met die van de gemakkelijk berekenbare interactie, kunnen de onderzoekers nu berekeningen uitvoeren met de gemakkelijk berekenbare interactie en een standaardprocedure toepassen voor het afhandelen van kleine correcties, de zogenaamde perturbatietheorie.

Het onderzoeksteam paste deze nieuwe methode toe op kwantum Monte Carlo-simulaties voor lichte kernen, kernen met gemiddelde massa, neutronenmaterie en nucleaire materie. Met behulp van nauwkeurige ab initio-berekeningen kwamen de resultaten nauw overeen met gegevens uit de echte wereld over nucleaire eigenschappen zoals omvang, structuur en bindingsenergie. Berekeningen die ooit onmogelijk waren vanwege het tekenprobleem, kunnen nu worden uitgevoerd met golffunctiematching.

Hoewel het onderzoeksteam zich uitsluitend richtte op quantum Monte Carlo-simulaties, zou het matchen van golffuncties nuttig moeten zijn voor veel verschillende ab initio-benaderingen. "Deze methode kan bijvoorbeeld worden gebruikt in zowel klassiek computergebruik als quantum computing om de eigenschappen van zogenaamde topologische materialen, die belangrijk zijn voor quantum computing, beter te voorspellen", zegt Meißner.

De eerste auteur is prof. dr. Serdar Elhatisari, die twee jaar als Fellow heeft gewerkt aan de ERC Advanced Grant EXOTIC van prof. Meißner. Volgens Meißner werd in deze tijd een groot deel van de werkzaamheden uitgevoerd. Een deel van de rekentijd op supercomputers bij Forschungszentrum Jülich werd geleverd door het IAS-4 instituut, waarvan Meißner leiding geeft.