Reprezentarea unui atom, cu nucleul în centru, iar electronii distribuiți în jurul acestuia
Ciocnirea stelelor de neutroni dă naștere atomilor „grei”, precum atomilor de aur sau de platină. Însă detaliile acestui proces nu sunt bine cunoscute. Un studiu recent al interacțiunii nucleare tari în nucleele de plumb ne poate ajuta să înțelegem mai bine formarea acestor elemente, dar și funcționarea stelelor neutronice.
„Nucleele atomilor grei au un număr mare de neutroni, raportat la numărul de protoni, ceea ce duce la formarea unui strat de neutroni a cărui grosime este în funcție de caracteristicile forței nucleare. Astfel se stabilește o legătură între nucleul atomic și proprietățile stelelor neutronice”.
Stelele de neutroni
Stelele neutronice sunt ceea ce rămâne dintr-o stea mai mare, ca Soarele, însă nu cu mult mai mare (în acest caz se formează o gaură neagră), atunci când aceasta ajunge la sfârșitul vieții (citește: Ciclul de viață al stelelor). Adică în interior nu mai pot avea loc reacții de fuziune nucleară care să se opună forței gravitaționale, iar echilibrul dintre cele două ia sfârșit.
În momentul respectiv forța gravitațională domină, iar în colapsul gravitațional diverse straturi ale stelei se ciocnesc între ele dând naștere unei explozii (supernova). Însă nu toată materia stelei este împrăștiată în spațiu; o parte, cea centrală, rămâne și dă naștere așa-numitei stele neutronice.
La ora actuală nu știm încă bine din ce este alcătuită o stea de neutroni. Evident, conține foarte mulți neutroni (circa 1057), însă pe lângă aceștia în inima stelei ar putea exista și alte particule, precum cele care conțin așa-numitul quark strange.
Stelele neutronice se studiază atât prin observații astrofizice și astronomice, cât și prin intermediul undelor gravitaționale generate atunci când o stea de neutroni se ciocnește cu o altă stea de neutroni sau cu o gaură neagră, dar și prin studii de fizică nucleară în laboratoare.
Ciocnirile de stele de neutroni
Stelele de neutroni au o rază în jur de 10 km. Atunci când se ciocnesc două stele de acest fel se generează particule cu energie extrem de mare, care pot interacționa între ele la rândul lor, dând naștere nucleelor grele, precum cele ale atomilor de aur sau platină.
Procesul nu este încă pe deplin înțeles și pentru a-l înțelege mai bine este necesară înțelegerea forței nucleare tari, una dintre cele patru interacțiuni din cadrul modelului standard al fizicii particulelor elementare.
Noi rezultate în studiul interacțiunii nucleare în nucleele de plumb
Un nou studiu al cărui rezultat a fost recent publicat în revista Nature Physics arată cât de gros este stratul de neutroni din nucleul de plumb (izotopul care conține 126 de neutroni). Nucleul de plumb este alcătuit din 82 de protoni și 126 de neutroni; acesta conține nucleul, format din protoni și neutroni, învăluită într-un strat exterior de neutroni.
Protonii și neutronii sunt ținuți împreună prin intermediul interacțiunii nucleare tari, aceeași care ține neutronii (și eventual alte particule) împreună în stelele de neutroni; diferența între aceste structuri este numărul de particule implicate, în cazul nucleului atomic cel mult câteva sute. Stelele de neutroni mult mai multe: 1057!
Programul pus la punct de cercetători folosește metode statistice asemănătoare cu cele folosite pentru a se simula răspândirea coronavirusului. Combină rezultate experimentale cu teoria interacțiunii nucleare puternice.
credit: webelements.com
Există o serie de nuclee pentru care neutronii și protonii au numere magice, adică ocupă complet aceste nivele de energie. Nucleul de plumb-208 este un nucleu dublu-magic, întrucât atât numărul de protoni, 82, cât și cel de neutroni, 126, sunt numere magice. Din acest motiv nucleul de Pb-208 este foarte stabil, acest lucru făcându-l unul dintre nucleele cele mai studiate.
Care au fost rezultatele?
Calculele efectuate de către cercetători arată că învelișul de neutroni al nucleului de plumb este mai subțire decât se credea. Au fost estimate inclusiv erorile de calcul, ceea ce este foarte important atunci când rezultatele calcului teoretic sunt comparate cu măsurătorile experimentale.
În viitor cercetătorii vor să efectueze calcule asemănătoare și pentru alte nuclee, nu doar cele ale atomului de plumb. Speranța este de a aplica acest gen de calcule atât la nucleele atomice, cât și la stelele de neutroni, având în vedere că ambele sunt compuse din particule care sunt ținute împreună prin interacțiunea nucleară tare.
Această interacțiune nucleară, care are la baza quarcurile și gluonii (particula-mesager pentru interacțiunea nucleară tare) nu este încă bine cunoscută. Teoria cromodinamicii cuantice (cea care descrie interacțiunea tare) are încă nevoie atât de noi progrese, precum cel despre care am scris, cât și de noi date experimentale, din ce în ce mai precise, la diverse energii, pentru particule diferite.
Rezumatul lucrării originale:
Heavy atomic nuclei have an excess of neutrons over protons, which leads to the formation of a neutron skin whose thickness is sensitive to details of the nuclear force. This links atomic nuclei to properties of neutron stars, thereby relating objects that differ in size by orders of magnitude. The nucleus 208Pb is of particular interest because it exhibits a simple structure and is experimentally accessible. However, computing such a heavy nucleus has been out of reach for ab initio theory. By combining advances in quantum many-body methods, statistical tools and emulator technology, we make quantitative predictions for the properties of 208Pb starting from nuclear forces that are consistent with symmetries of low-energy quantum chromodynamics. We explore 109 different nuclear force parameterizations via history matching, confront them with data in select light nuclei and arrive at an importance-weighted ensemble of interactions. We accurately reproduce bulk properties of 208Pb and determine the neutron skin thickness, which is smaller and more precise than a recent extraction from parity-violating electron scattering but in agreement with other experimental probes. This work demonstrates how realistic two- and three-nucleon forces act in a heavy nucleus and allows us to make quantitative predictions across the nuclear landscape.
