Departamento de Física e Astronomia, Universidade de Notre Dame, IN, EUA
&bala; Física 18, 28
Um novo método computacional pode ajudar os cientistas a entender as formas dos núcleos deformados dos primeiros princípios.
R. Stroberg; APS/c. Caim
Figura 1: As interações pareadas entre prótons (amarelo) e nêutrons (verdes) estão entre as forças que devem ser consideradas ao calcular a forma de um núcleo deformado ab initio.
R. Stroberg; APS/c. Caim
Figura 1: As interações pareadas entre prótons (amarelo) e nêutrons (verdes) estão entre as forças que devem ser consideradas ao calcular a forma de um núcleo deformado ab initio.
Ingenuamente, seria de esperar que um estado ligado de prótons e nêutrons formasse naturalmente uma forma esférica, assim como os elétrons em um átomo ou nas moléculas em uma gota de líquido. De fato, a maioria dos núcleos atômicos é deformada em seu estado elementary (1). Esse comportamento deve ser conectado a alguns recursos específicos da interação entre prótons e nêutrons. Embora muito trabalho tenha esclarecido qualitativamente os mecanismos de deformação nuclear, a deformação quantitativamente vinculada à interação subjacente tem sido formidivelmente difícil. Agora, o Laboratório Nacional de Zhonghao Solar of Oak Ridge, Tennessee, e seus colaboradores demonstraram que os teóricos nucleares estão à beira de enfrentar esse desafio (2).
Os núcleos não são os únicos sistemas microscópicos que adotam formas não esféricas. Um exemplo simples é uma molécula diatômica como H2; A molécula é alongada ao longo do eixo que conecta os dois prótons. Mas analisar a deformação em núcleos fornece vários desafios adicionais. Primeiro, a força de Coulomb que impulsiona a física molecular é muito mais simples que a interação entre os núcleons (prótons e nêutrons), que envolve rotação, isospina (composição de quarks), forças dependentes direcionalmente e forças não negligenciáveis de três corpos. Segundo, em uma molécula, as escalas de energia relacionadas aos elétrons rápidos e leves e aos núcleos lentos e pesados geralmente diferem por ordens de magnitude, possibilitando tratar os elétrons e núcleos separadamente, no que é chamado de aproximação de Born-Oppenheimer. Mas em um núcleo, onde apenas os núcleons residem, a separação da escala tende a ser muito menos pronunciada. Uma terceira complicação é que a atraente interação nuclear de curto alcance tende a persuadir núcleons a formar os chamados pares de Cooper, semelhantes aos que mediam a supercondutividade convencional. Porque esses pares formam naturalmente uma forma esférica, o emparelhamento e a deformação competem. O que se ganha depende de como a combinação specific de prótons e nêutrons de um núcleo ocupa suas respectivas conchas de energia (3).
Uma estrutura teórica padrão para analisar núcleos deformados é a teoria-funcional de densidade, na qual o núcleo é permitido deformar sua forma em uma direção específica para minimizar sua energia. Essa escolha de uma direção específica quebra a simetria rotacional, que é então restaurada projetando a função de onda do núcleo em um estado de momento angular bem definido (4). O processo de quebra e restauração de simetrias é uma maneira eficiente de capturar o movimento correlacionado de sistemas de muitas partículas, como os núcleos. No entanto, as ferramentas matemáticas-funcionais de densidade de energia-usadas nessa abordagem ainda precisam estar rigorosamente conectadas à interação subjacente entre os núcleons.
Ab initio Os cálculos fornecem uma estrutura alternativa. A partir da interação entre núcleons, ab initio Os cálculos visam resolver a equação de Schrödinger de muitos corpos usando um esquema de aproximação sistematicamente improvável. A estrutura sofreu um progresso substancial nos últimos 20 anos (5). Uma vez restrito a sistemas de não mais que uma dúzia de núcleons, ab initio cálculos foram realizados para núcleos até o Lead-208 (6). Para sistemas pesados, é essencial usar esquemas de aproximação cujos custos computacionais escalam apenas polinomialmente com o tamanho do sistema, em oposição à escala exponencial de abordagens mais brutas da força bruta. Um desses métodos de escala de polinomial, cluster acoplado, parametrizam com eficiência a função de onda de muitos corpos do núcleo em termos de excitações de partículas-buracos em relação a um estado de referência (7). Outro recurso importante que permite ab initio Os cálculos de núcleos pesados são a redução na dimensionalidade obtida pela invocação da simetria esférica. Consequentemente, núcleos deformados, que quebram a simetria esférica, tornaram -se a fronteira closing para ab initio cálculos em todo o gráfico nuclear.
Solar e seus colaboradores fizeram dois avanços significativos nessa fronteira. Primeiro, eles melhoraram uma abordagem desenvolvida por grupos que trabalham em física nuclear e química quântica chamada cluster acoplado projetado (8). Nesse método, começa-se com uma forma nuclear deformada, constrói excitações de partículas-buracos com o método do cluster acoplado e, em seguida, projeta a função de onda resultante e mais complicada em um estado de momento angular bem definido. Embora essa estratégia possa parecer óbvia, pois combina o melhor de todas as abordagens, o diabo está nos detalhes. É preciso formular a abordagem para que aproximações precisas não quebrem o banco computacional. Embora os cálculos do Solar e de seus colaboradores sejam computacionalmente caros, eles são gerenciáveis e produzem resulta em boa concordância com os dados experimentais disponíveis.
O segundo – e indiscutivelmente mais importante – a advance é um estudo de sensibilidade, que explorou como vários aspectos da interação nuclear influenciam se um núcleo será deformado. Os cálculos usavam a teoria do campo efetivo quiral (EFT) (9) derivar a interação nuclear. Trabalhando em ordem próxima ao próximo a líder no A expansão da EFT produziu 17 constantes de baixa energia que especificaram a interação. Os pesquisadores amostraram esse espaço 17-dimensional para determinar quais parâmetros mais afetaram a deformação. O estudo revelou um único parâmetro que tem um impacto dominante em duas assinaturas de deformação. Este parâmetro controla a interação de curta distância na chamada 1S0 Onda parcial – o canal associado ao emparelhamento de núcleos. A interpretação direta é que o aumento da repulsão de curto alcance no 1S0 A onda parcial suprime a tendência de os núcleos formarem pares de cooper e pontas as escalas em favor da deformação. Curiosamente, esse mesmo parâmetro é o principal driver para determinar até que ponto o excesso de nêutrons se destaca além dos prótons em núcleos pesados (6) e para prever a taxa de um decaimento nuclear especulativo chamado decaimento duplo-beta da neutrinolesa (10).
Embora esses resultados sejam intrigantes, mais trabalho permanece. O principal efeito identificado pela análise de sensibilidade dos pesquisadores parece inibir, em vez de impulsionar, deformação. Além disso, a parte de longo alcance da interação nuclear, devido à troca de pions, não foi variada na análise porque é bem conhecida. Mas isso significa que é invisível para a análise de sensibilidade. Consequentemente, pode ser que a deformação seja impulsionada pelos aspectos menos excessivos da força nuclear. Isso seria bem -vindo notícias para os teóricos.
Referências
A. Bohr e Br Mottelson, Estrutura nuclear, quantity II: deformações nucleares (Wa Benjamin, Studying, 1975) (Amazon) (Worldcat).
Zh sol et al.“Física de vários escalas de núcleos atômicos dos primeiros princípios”. Phys. Rev. x15011028 (2025).
P. Federman e S. Pittel, “Descrição unificada de deformação nuclear” unificada de deformação nuclear “. Phys. Rev. c20820 (1979).
H. Hergert, “um tour guiado de ab initio Teoria nuclear de muitos corpos ”. Frente. Phys.8 (2020).
B. Hu et al.“Previsões ab initio ligam a pele de nêutrons de 208PB para forças nucleares ”. Nat. Phys.181196 (2022).
I. Shavitt e RJ Bartlett, Métodos de muitos corpos em química e física: MBPT e teoria do cluster acoplado (Cambridge College Press, Cambridge, 2009) (Amazon) (Worldcat).
R. Machleidt e Dr. INTEM, “Teoria efetiva do campo quiral e forças nucleares”. Phys. Rep.5031 (2011).
A. Belley et al.“Correlação de elementos da matriz nuclear de decaimento dupla de neutrinolssa com mudanças de fase de núcleos-núcleos”. ARXIV: 2408.02169.
Sobre o autor
Ragnar Stroberg é professor assistente do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Notre Dame. Sua pesquisa se concentra em ab initio Métodos de muitos corpos para estudar a estrutura nuclear. Depois de obter seu doutorado pela Michigan State College, ele ocupou cargos em Triumf no Canadá, Reed Faculty, no Oregon, na Universidade de Washington e no Laboratório Nacional de Argonne em Illinois.
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