Nieuw onderzoek van de North Carolina State University en Michigan State University opent een nieuwe weg voor het modelleren van energiezuinige kernreacties, die essentieel zijn voor de vorming van elementen in sterren. Het onderzoek legt de basis voor het berekenen van de interactie tussen nucleonen wanneer de deeltjes elektrisch geladen zijn.

Het werk verschijnt in Physical Review Letters .

Het voorspellen van de manieren waarop atoomkernen (clusters van protonen en neutronen, samen nucleonen genoemd) zich combineren om grotere samengestelde kernen te vormen, is een belangrijke stap in de richting van het begrijpen hoe elementen in sterren worden gevormd.

Omdat de relevante nucleaire interacties experimenteel erg moeilijk te meten zijn, gebruiken natuurkundigen numerieke roosters om deze systemen te simuleren. Het eindige rooster dat in dergelijke numerieke simulaties wordt gebruikt, fungeert in wezen als een denkbeeldige doos rond een groep nucleonen waarmee natuurkundigen de eigenschappen kunnen berekenen van een kern die uit deze deeltjes is gevormd.

Maar tot nu toe ontbrak het bij dergelijke simulaties aan een manier om eigenschappen te voorspellen die bepalend zijn voor reacties met lage energie waarbij geladen clusters betrokken zijn die voortkomen uit meerdere protonen. Dit is belangrijk omdat deze energiezuinige reacties van vitaal belang zijn voor onder andere de vorming van elementen in sterren.

"Terwijl de 'sterke kernkracht' protonen en neutronen samenbindt in atoomkernen, speelt de elektromagnetische afstoting tussen protonen een belangrijke rol in de algehele structuur en dynamiek van de kern", zegt Sebastian König, assistent-professor natuurkunde bij NC State en corresponderend auteur van het onderzoek.

"Deze kracht is vooral sterk bij de laagste energieën, waar veel belangrijke processen plaatsvinden die de elementen synthetiseren waaruit de wereld bestaat die we kennen", zegt König. "Maar het is een uitdaging voor de theorie om deze interacties te voorspellen."

Dus besloten König en collega's achteruit te werken. Hun aanpak kijkt naar het eindresultaat van de reacties binnen een rooster (de samengestelde kernen) en gaat vervolgens terug om de eigenschappen en energieën te ontdekken die bij de reactie betrokken zijn.

"We berekenen de reacties zelf niet; we kijken veeleer naar de structuur van het eindproduct", zegt König. "Naarmate we de grootte van de 'doos' veranderen, zullen de simulaties en resultaten ook veranderen. Uit deze informatie kunnen we feitelijk parameters extraheren die bepalen wat er gebeurt als deze geladen deeltjes op elkaar inwerken."

"Het afleiden van de formule was onverwacht uitdagend", zegt Hang Yu, afgestudeerde student aan NC State en eerste auteur van het werk, "maar het eindresultaat is heel mooi en heeft belangrijke toepassingen."

Op basis van deze informatie ontwikkelde het team een ​​formule en toetste deze aan benchmarkberekeningen, dit zijn evaluaties die via traditionele methoden worden uitgevoerd, om er zeker van te zijn dat de resultaten accuraat waren en gereed waren voor gebruik in toekomstige toepassingen.

"Dit is het achtergrondwerk dat ons vertelt hoe we een simulatie moeten analyseren om de gegevens te extraheren die we nodig hebben om voorspellingen voor kernreacties te verbeteren", zegt König. "De kosmos is enorm, maar om het te begrijpen moet je naar de kleinste componenten kijken. Dat is wat we hier doen:ons concentreren op de kleine details om onze analyse van het grotere geheel beter te kunnen onderbouwen."

NC State-student Hang Yu is de eerste auteur van het werk. Dean Lee, hoogleraar natuurkunde en afdelingshoofd theoretische nucleaire wetenschappen bij de Facility for Rare Isotope Beams aan de Michigan State University, was co-auteur van het werk. Lee werkte voorheen bij NC State en is nog steeds adjunct-professor natuurkunde bij NC State.

Meer informatie: Hang Yu et al., Aan geladen deeltjes gebonden toestanden in periodieke dozen, Fysieke beoordelingsbrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.212502

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door North Carolina State University