Международный коллектив физиков впервые рассчитал размер нейтронной
оболочки ядра 48Ca и показал, что она гораздо меньше, чем считалось ранее. Ученые
полагают, что новый результат существенен для теоретических предсказаний
размеров нейтронных звезд. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics, об
исследовании также можно прочесть в пресс-релизе национальной лаборатории Ок-Ридж
(ORNL).
Для теоретических расчетов ученые задействовали суперкомпьютер
Titan, занимающий по
производительности вторую строчку в мировом рейтинге. Новые расчетные методики
и алгоритмы в сочетании с высокопроизводительными машинами вроде Titan позволили ученым более
точно описать параметры ядер атомов, состоящих их большого количества частиц,
например, 48Ca.
Ученые провели расчет нейтронной и протонной оболочки ядра
кальция разными методами и сравнили полученные результаты. Основой расчетов является решение уравнения Шредингера и нахождение пары волновая функция и энергия. Волновая функция в квантовой механике полностью описывает состояние системы с заданной энергией в конкретный момент времени. Зная волновую функцию какой-то системы, можно вычислить вероятность получить в ходе конкретного эксперимента тот или иной результат.
Однако аналитическое решение уравнение Шредингера (то есть решение в виде каких-то разумных функций) для задачи более чем двух
тел (и есть еще пять частных случаев для трех тел) неизвестно.
Поэтому для такой сложной
системы как ядро атома кальция ученые прибегли к различным приближениям. В частности, вместо непрерывных параметров вводят дискретные, что позволяет заменить задачу с производными на набор систем линейных уравнений (правда, обычно, колоссальных размеров). Затем, делая
первичную догадку относительно волновой функции, итерационным методом удается
добиться довольно точного приближения. В расчете авторы прибегли к новым
теоретическим моделям квантовой хромодинамики, учитывающим сильные
взаимодействия между нуклонами.
Поскольку количество
нейтронов в 48Ca
больше, чем протонов, физики ожидали, что именно нейтронная оболочка будет
определять фактический размер ядра атома. Это соответствовало более ранним
представлениям о строении ядер и подтверждалось используемыми теоретическими
моделями, основанными на теории ядерного функционала плотности (nuclear DFT). Однако результаты нового расчета показали лишь незначительную разницу
в размерах протонной и нейтронной оболочек.
На данный момент команда занимается экспериментальной
проверкой полученных параметров: так, коллаборация Дармштадт-Осака измерила
поляризацию ядер 48Ca и интерпретирует его результаты. Качественную
проверку распределению нейтронов обеспечит будущий эксперимент исследователей
из лаборатории Джефферсона.
Ядро 48Ca состоит из 48 нуклонов (20 протонов и
28 нейтронов). Ab initio (из первых принципов) расчет такого
ядра представляет собой решение квантовой задачи многих тел, сложность которой возрастает
экспоненциально в зависимости от числа нуклонов. В последнее время физикам удалось
упростить количество операций до полинома в степени числа частиц. Этот прогресс,
связанный с развитием квантовой теории, позволил подступиться к решению подобных
задач, хотя расчеты многочастичных ядер до сих пор требуют задействования высокопроизводительных
суперкомпьютерных комплексов.
Екатерина Козлякова
Обнаружены свидетельства того, что жизнь на Земле существовала 3,95 миллиарда лет назад. Получить их группе японских ученых удалось с помощью анализа изотопного состава углерода в графитовых и карбонатных минералах эоархея с полуострова Лабрадор. Это наиболее раннее достоверное свидетельство наличия жизни, возраст предыдущих был примерно на 200 миллионов лет меньше. Исследование опубликовано в Nature.