Калций-48, уникален атом, който често се използва в научните изследвания, има изключително стабилна структура. Тази стабилност го прави идеален кандидат за изучаване на силите, които свързват атомните частици или пък ги разделят.

Ядрените физици от Националната лаборатория Оук Ридж (ORNL) постигнаха значителен пробив, като използваха най-мощния суперкомпютър в света – Frontier.

Те се доближиха до разрешаването на дългогодишно разногласие в областта на ядрената физика. Изследванията им са насочени към разшифроване на магнитните свойства на атомното ядро на калций-48.

„Ядрото на калций-48 е във възбудено състояние, което бързо се разпада, тъй като има силни магнитни взаимодействия и една от най-високите стойности на силата на прехода“, казва Гаут Хаген, физик-изчислител в ORNL.

Резултатите от изследването имат за цел да подобрят разбирането ни за магнетизма в ядрата и да разрешат продължилия десетилетие дебат между експерименти, които дадоха противоречиви резултати за магнитното поведение на калций-48.

Този пробив би могъл да разкрие субатомните взаимодействия в свръхновите – масивни звездни катастрофи, които разпространяват тежки елементи във Вселената.

“Ние сме много заинтересовани от правилата, които управляват начина, по който се създават ядрата. Симулирането на фундаменталните сили вътре в калций-48 ще ни помогне да разберем по-добре как се създава той и може би ще ни даде представа и за това какви други подобни ядра биха могли да съществуват“, добави Хаген.

Двойната магия на калций-48

Калций-48, специален вид атом, използван в научните изследвания, има много стабилна структура, което го прави полезен за изучаване на силите, които държат атомите заедно или ги разкъсват.

„Ядрото му е съставено от 20 протона и 28 неутрона – комбинация, която учените наричат двойно магическа“, казват изследователите в съобщение за пресата.

Магнитното поведение на калций-48 обаче е обект на научно изследване от началото на 80-те години на миналия век.

Първоначалните експерименти, проведени с помощта на снопове от протони и електрони, показаха, че магнитната сила на прехода е 4 ядрени магнетона на квадрат. Тази стойност показва колко силно става магнитното поле във вътрешността на ядрото по време на специфична промяна.

През 2011 г. обаче експерименти с използване на гама-лъчи показаха, че силата на магнитния преход е почти два пъти по-голяма. Това значително разминаване създаде объркване сред учените относно истинското магнитно поведение на калций-48.

Екипът използва хиралната теория на ефективното поле, която свързва наблюдаваните ядрени явления с фундаменталната теория на силната ядрена сила – квантовата хромодинамика.

„Несъответствията между различните експерименти ни мотивираха да разберем какъв резултат ще получим, ако използваме тези теоретични модели за изследване на магнитния преход“, казва съизследователят Томас Папенброк, физик от ORNL.

Преодоляване на несъответствието

За да се справи с тази главоблъсканица, екипът на ORNL използва суперкомпютъра Frontier – първата в света екзамащабна машина, способна да извършва над един квинтилион изчисления в секунда.

„Невероятната изчислителна мощ на системата позволи на екипа на Хаген да проведе симулации със забележителна ефективност и прецизност“, се подчертава в съобщението за пресата.

Те са използвали и метода на свързаните клъстери, за да изчислят точно свойствата на ядрото на калций-48.

Резултатите от тези симулации бяха категорични. Те показаха, че силата на магнитния преход на калций-48 съвпада с резултатите от експериментите с гама-лъчите, което реши дългогодишния дебат в ядрената физика.

По-дълбок поглед върху ядрената физика

Това изследване надхвърля обикновеното изясняване на магнитното поведение на калций-48. То също така разкри подробности за ефектите на континуума, които обясняват как ядрото взаимодейства с околната среда.

Освен това симулациите показаха сложния танц на нуклонните двойки (протони и неутрони) в ядрото по време на магнитния преход.

Симулациите показаха, че ефектите на континуума намаляват силата на магнитния преход с около 10%.

„И противно на досегашните убеждения, че взаимодействията между нуклонните двойки значително потискат или отслабват силата на магнитния преход, симулациите показаха, че в някои случаи тези ефекти леко увеличават силата на магнитния преход“.

Въздействието на това изследване върху астрофизиката

Освен това новото изследване има значение за астрофизиката. Калций-48 се среща в изобилие в ядрата на колапсиращите свръхнови, където неутриното – неуловимите субатомни частици – играе решаваща роля.

„Физиката, която описва силата на магнитния преход в калций-48, описва и как неутриното взаимодейства с материята“, казва Биджая Ачария, водещият автор на изследването.

„Така че, ако стойността на магнитната сила на прехода е по-голяма, отколкото се смяташе досега, това означава, че прегряването и другите фактори, свързани с взаимодействията на неутриното при експлозиите на свръхновите, също биха били по-големи, и точно обратното – при по-малки стойности“, обяснява Ачаря.

Разкривайки фундаменталните правила, управляващи съставянето на ядрата, учените придобиват представа за процесите, които оформят Вселената – от създаването на звездите и планетите до изобилието на елементите.

„Някой ще превърне тези изчисления в интересни реакционни скорости, а след това тези скорости на реакциите ще бъдат превърнати в астрофизични изчисления, за да ни помогнат да разберем по-добре Вселената“, заключава ядреният астрофизик от ORNL Рафаел Хикс.

Новата подробна симулацията на процесите в калций-48 с помощта на суперкомпютъра калций-48 се очаква да окаже значително влияние върху редица научно области – от ядрената физика до астрофизиката.