En overset atomkraft hjælper med at holde sagen stabilt, studiet afslører

Forskere fra Kyushu University, Japan har afsløret, hvordan en særlig type kraft inden for en atoms kerne, kendt som tre-nukleonstyrken, påvirker nuklear stabilitet. Undersøgelsen, der blev offentliggjort i Fysikbrev bgiver indsigt i, hvorfor visse kerner er mere stabile end andre og kan hjælpe med at forklare astrofysiske processer, såsom dannelse af tunge elementer inden for stjerner.

Alt stof er lavet af atomer, universets byggesten. Det meste af et atommasse er pakket i sin lille kerne, der indeholder protoner og neutroner (kendt kollektivt som nukleoner). At forstå, hvordan disse nukleoner interagerer for at holde kernen stabil, og i en lavenergistilstand har været et centralt spørgsmål i nuklear fysik i over et århundrede.

Den mest kraftfulde atomkraft er den to-nukleonkraft, der tiltrækker to nukleoner på lang rækkevidde for at trække dem sammen og frastøber på kort rækkevidde for at forhindre nukleoner i at komme for tæt på.

“Forskere har dannet en god forståelse af den to-nukleonstyrke, og hvordan det påvirker nuklear stabilitet,” siger den første forfatter Tokuro Fukui, adjunkt i Kyushu University’s Fakultet for Arts and Science. “På den anden side er tre-nukleonstyrke, som er, når tre nukleoner interagerer med hinanden samtidigt, meget mere kompliceret og dårligt forstået.”

Fukui beskriver atomkræfter ved at sammenligne dem med et fangstspil. Med to-nukleonstyrken interagerer to spillere eller nukleoner ved at kaste en bold til hinanden. Bolden, en subatomisk partikel kaldet en meson, kan variere i tyngde med den letteste meson, kendt som en pion, der er ansvarlig for den langtrækkende tiltrækning mellem nukleoner.

Med den tre-nukleonstyrke er der tre spillere, eller nukleoner, og bolde eller mesoner passeres mellem dem. På samme tid som at kaste og fange kuglerne, spillerne eller nukleoner drejer og bevæger sig også i en bane i kernen.

En overset atomkraft hjælper med at holde stoffet stabilt

Selvom den tre-nukleonstyrke historisk set er blevet betragtet som en lille betydning sammenlignet med to-nukleonstyrken, har et voksende antal nylige studier fremhævet dens betydning. Nu præciserer denne nye undersøgelse mekanismen for, hvordan tre-nukleonkraften forbedrer nuklear stabilitet og demonstrerer, at når kernen vokser, vinder kraften i styrke.

I deres forskning brugte Fukui og hans kolleger avanceret nuklear teori og supercomputersimuleringer til at studere udveksling af pioner mellem tre nukleoner. De fandt, at når to pioner udveksles mellem tre nukleoner, er nukleonerne begrænset i, hvordan de bevæger sig og drejer, med kun fire kombinationer mulige. Deres beregninger afslørede, at en af ​​disse kombinationer, kendt som “RANK-1-komponenten”, spiller en afgørende rolle i at fremme nuklear stabilitet.

Forøget stabilitet forekommer, forklarer Fukui på grund af forbedring af en proces kendt som spin-orbit-opdeling. Når nukleoner drejer og kredser i samme retning, fører justeringen af ​​disse nukleoner til en reduktion i energi. Men når nukleoner drejer og kredser i modstridende retninger, findes disse nukleoner i en højere energitilstand. Dette betyder, at nukleoner “opdeles” i forskellige energiskaller, hvilket giver kernen en stabil struktur.

“Vores supercomputersimuleringer viste, at selvom den tre-nukleonkraft øger energitilstanden for nukleonerne med en justeret spin og bane, får det nukleoner med modsatte spins og kredsløb til at få endnu mere energi. Dette resulterer i et større energiforskel mellem Skaller, der gør kernerne endnu mere stabile, “afslører Fukui.

Det er vigtigt, at denne effekt bliver mere markant i tungere kerner, der indeholder flere nukleoner. I det tyngste element, der blev undersøgt-carbon-12, der har 12 nukleoner-fik tre-nukleonkraften, at energigabet blev udvidet med en faktor på 2,5.

“Denne effekt er så stor, at den næsten har samme vægt som virkningen af ​​to-nukleonstyrken. Vi forventer, at effekten er endnu stærkere for elementer, der er tungere end carbon-12, som vi planlægger at studere som en del af vores næste trin, “Siger Fukui.

Tre-nukleonstyrken kunne spille en nøglerolle i forståelsen af, hvordan tunge elementer dannes fra fusionen af ​​lettere elementer i stjerner. Efterhånden som denne kraft bliver stærkere i tungere kerner, øger den deres stabilitet ved at skabe større energihuller mellem nukleare skaller.

Denne stabilitet gør det mere udfordrende for kernen at fange yderligere neutroner, som er vigtige for at danne tungere elementer. I tilfælde, hvor kernen allerede indeholder et “magisk tal” af protoner eller neutroner, der fuldstændigt fylder dens skaller, bliver kernen usædvanligt stabil, hvilket kan hindre fusionsprocessen yderligere.

“At vide, at energigabet mellem forskellige nukleare skaller er afgørende oplysninger for forskere, der prøver at forudsige dannelsen af ​​tunge elementer, som de ikke kan opnå uden at forstå den tre-nukleonkraft. For magiske nummerkerne kan der være behov for kolossale mængder energi , “siger Fukui.

Endelig opdagede forskerne en anden overraskende virkning af tre-nukleonkraften på Nucleon Spins. Med kun to-nukleonkraften kan spintilstandene af begge nukleoner måles individuelt. Imidlertid skaber den tre-nukleonkraft kvanteforvikling, hvor to af de tre nukleoner har spins, der findes i begge stater på én gang, indtil de er målt.

“Kvanteforvikling af nukleoner kan forekomme ligesom med elektroner, selvom den større masse af nukleoner udgør forskellige udfordringer. Disse forskelle kan have konsekvenser for fremtidig forskning, herunder i nye teknologier som kvanteberegning,” afslutter Fukui.