Физики раскрывают тайны вселенной, изучая атомное ядро

Считается, что массивные нейтронные звезды, сталкивающиеся в космосе, способны создавать драгоценные металлы, такие как золото и платина. Свойства этих звезд до сих пор остаются загадкой, но ответ может лежать в одном из самых маленьких строительных блоков на Земле — атомном ядре свинца. Добиться того, чтобы ядро ​​атома раскрыло секреты сильного ядерного взаимодействия, управляющего недрами нейтронных звезд, оказалось непросто. Теперь новая компьютерная модель ученых из Технологического университета Чалмерса, может дать ответы.

В недавно опубликованной статье шведские исследователи представили прорыв в расчете атомного ядра тяжелого и стабильного элемента свинца.

Несмотря на огромную разницу в размерах между микроскопическим атомным ядром и нейтронной звездой размером в несколько десятков километров, одна и та же физика в значительной степени определяет их свойства.

Общим знаменателем является сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает частицы — протоны и нейтроны — вместе в атомном ядре.

Эта же сила предотвращает коллапс нейтронной звезды. Сильное взаимодействие является фундаментальным во Вселенной, но его трудно включить в вычислительные модели, не в последнюю очередь, когда речь идет о тяжелых атомных ядрах, богатых нейтронами, таких как свинец.

«Чтобы понять, как действует сильное взаимодействие в веществе, богатом нейтронами, нам нужны содержательные сравнения между теорией и экспериментом. Поэтому в дополнение к наблюдениям, сделанным в лабораториях и с помощью телескопов, также необходимы надежные теоретические симуляции. Наш прорыв означает, что мы в состоянии провести такие расчеты для самого тяжелого стабильного элемента — свинца», — говорит Андреас Экстрем, автор исследования.

Новая компьютерная модель указывает путь вперед. Она позволяет с высокой точностью прогнозировать свойства изотопа свинца-208 (²⁰⁸Pb) и его так называемой «нейтронной кожи».

Тяжелые атомные ядра имеют избыток нейтронов над протонами, что приводит к образованию нейтронной кожи, толщина которой чувствительна к деталям ядерной силы. 

Это соотносит атомные ядра со свойствами нейтронных звезд, тем самым связывая объекты, различающиеся по размеру на порядки.

Именно 126 нейтронов в атомном ядре свинца-208 образуют внешнюю оболочку, которую можно описать как «кожу».

То, насколько толста кожа, связано со свойствами сильного взаимодействия. Предсказывая толщину нейтронной оболочки, можно расширить знания о том, как действует сильное взаимодействие — как в атомных ядрах, так и в нейтронных звездах.

«Мы предсказываем, что оболочка нейтрона на удивление тонкая, что может дать новое представление о силе между нейтронами. Новаторским аспектом нашей модели является то, что она не только дает предсказания, но и позволяет оценивать теоретические пределы погрешности, что имеет решающее значение для достижения научного прогресса», — говорит руководитель исследования Кристиан Форссен, профессор физического факультета Чалмерского университета.

Чтобы разработать новую вычислительную модель, исследователи объединили теории с существующими данными экспериментальных исследований.

Затем сложные расчеты были объединены со статистическим методом, который ранее использовался для моделирования возможного распространения коронавируса.

С новой моделью свинца теперь можно оценить различные предположения о сильном взаимодействии.

Модель также позволяет делать прогнозы для других атомных ядер, от самых легких до самых тяжелых.

Прорыв может привести к гораздо более точным моделям, например, нейтронных звезд, и к расширению знаний о том, как они образуются.

«Наша цель — лучше понять, как сильное взаимодействие ведет себя как в нейтронных звездах, так и в атомных ядрах. Исследование делает нас еще на один шаг ближе к пониманию того, как, например, золото и другие элементы могут быть созданы в нейтронных звездах — и, в конце концов, речь идет о понимании вселенной», — говорят ученые.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.