Смята се, че масивните неутронни звезди, които се сблъскват в космоса, могат да създадат благородни метали като злато и платина. Въпреки че свойствата на тези звезди все още са загадка, отговорът може да се крие под кожата на един от най-малките градивни елементи на Земята - атомното ядро на оловото. Да се накара ядрото на атома да разкрие тайните на силната сила, която управлява вътрешността на неутронните звезди, се оказа трудно. Сега нов компютърен модел от Технологичния университет "Чалмърс" в Швеция може да даде отговори.
Изследователите от Чалмърс представят пробив в изчисляването на атомното ядро на тежкия и стабилен елемент олово в наскоро публикувана статия в научното списание Nature Physics.
Силното взаимодействие играе основна роля
Въпреки огромната разлика в размерите на микроскопичното атомно ядро и неутронната звезда с размери няколко километра, по същество свойствата им се управляват от една и съща физика. Общият фактор е силното взаимодействие, което държи заедно частиците - протони и неутрони - в атомното ядро. Същата сила не позволява на неутронната звезда да се разруши. Въпреки че силното взаимодействие е фундаментално за Вселената, е трудно то да бъде включено в изчислителните модели. Това е особено вярно, когато става въпрос за тежки атомни ядра, богати на неутрони, като например оловото. Поради това учените се борят с много въпроси без отговор в своите сложни изчисления.
Надежден начин за извършване на изчисления
"За да разберем как работи силното взаимодействие в богата на неутрони материя, са необходими смислени сравнения между теорията и експеримента. Ето защо, в допълнение към наблюденията, направени в лаборатории и с телескопи, са необходими и надеждни теоретични симулации. Нашият пробив означава, че успяхме да извършим такива изчисления за най-тежкия стабилен елемент - оловото", заявява Андреас Екстрьом (Andreas Ekström), един от водещите автори на статията и доцент в катедрата по физика в Чалмерс.
Новият компютърен модел сега дава възможност за високопрецизно прогнозиране на свойствата на изотопа олово-208 и неговата така наречена "неутронна кожа". (Изотоп на даден елемент е вариант с определен брой неутрони. В този случай става въпрос за изотопа олово-208, който има 126 неутрона и 82 протона).
Дебелината на кожата е от значение
Именно 126-те неутрона в атомното ядро образуват външна обвивка, която може да се опише като кожа. Дебелината на кожата е свързана със свойствата на силното взаимодействие. Чрез предсказване на дебелината на неутронната кожа може да се увеличат знанията за това как работи силното взаимодействие - както в атомните ядра, така и в неутронните звезди.
"Предвиждаме, че неутронната кожа е изненадващо тънка, което може да даде нови познания за силата между неутроните. Новаторски аспект на нашия модел е, че той не само дава прогнози, но и има възможност да даде оценка на теоретичните граници на грешка. Това е от решаващо значение за постигането на научен напредък", заявява ръководителят на изследването Кристиан Форсен (Christian Forssén), професор в катедрата по физика в Чалмерс.
Модел, използван за разпространението на коронавируса
За да разработят новия компютърен модел, изследователите са комбинирали теориите със съществуващи данни от експериментални изследвания. След това сложните изчисления са били комбинирани със статистически метод, използван преди това за симулиране на възможното разпространение на коронавируса.
С новия модел за оловото вече е възможно да се оценят различни предположения за силното взаимодействие. Моделът дава възможност да се направят прогнози и за други атомни ядра - от най-леките до най-тежките.
Пробивът би могъл да доведе до много по-прецизни модели на неутронни звезди например и до повече знания за това как се образуват те.
"Целта ни е да разберем по-добре как се държи силното взаимодействие както в неутронните звезди, така и в атомните ядра. Това доближава изследването до разбирането на това как например златото и други елементи могат да бъдат създадени в неутронни звезди - а в крайна сметка става въпрос за разбиране на Вселената", отбелязва Кристиан Форсен.
Справка: “Ab initio predictions link the neutron skin of 208Pb to nuclear forces” by Baishan Hu, Weiguang Jiang, Takayuki Miyagi, Zhonghao Sun, Andreas Ekström, Christian Forssén, Gaute Hagen, Jason D. Holt, Thomas Papenbrock, S. Ragnar Stroberg and Ian Vernon, 22 August 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01715-8
Източник: Mysteries of the Universe Revealed Under the Skin of an Atomic Nucleus, Chalmers University Of Technology
