Физики рассчитали размер нейтронной «шубы» тяжелого ядра

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