Una nuova ricerca della North Carolina State University e della Michigan State University apre una nuova strada per la modellazione delle reazioni nucleari a bassa energia, che sono fondamentali per la formazione degli elementi all’interno delle stelle. La ricerca getta le basi per calcolare come interagiscono i nucleoni quando le particelle sono caricate elettricamente.
Il lavoro appare in Physical Review Letters .
Prevedere il modo in cui i nuclei atomici (aggregati di protoni e neutroni, chiamati insieme nucleoni) si combinano per formare nuclei composti più grandi è un passo importante verso la comprensione di come si formano gli elementi all'interno delle stelle.
Poiché le interazioni nucleari rilevanti sono molto difficili da misurare sperimentalmente, i fisici utilizzano reticoli numerici per simulare questi sistemi. Il reticolo finito utilizzato in tali simulazioni numeriche agisce essenzialmente come una scatola immaginaria attorno a un gruppo di nucleoni che consente ai fisici di calcolare le proprietà di un nucleo formato da queste particelle.
Ma finora tali simulazioni non sono riuscite a prevedere le proprietà che governano le reazioni a bassa energia che coinvolgono cluster carichi derivanti da più protoni. Questo è importante perché queste reazioni a bassa energia sono vitali, tra le altre cose, per la formazione degli elementi nelle stelle.
"Mentre la 'forza nucleare forte' lega insieme protoni e neutroni nei nuclei atomici, la repulsione elettromagnetica tra i protoni gioca un ruolo importante nella struttura e nella dinamica complessiva del nucleo", afferma Sebastian König, assistente professore di fisica presso NC State e autore corrispondente della ricerca.
"Questa forza è particolarmente forte alle energie più basse, dove hanno luogo molti processi importanti che sintetizzano gli elementi che compongono il mondo che conosciamo", afferma König. "Ma è difficile per la teoria prevedere queste interazioni."
Quindi König e colleghi hanno deciso di lavorare a ritroso. Il loro approccio esamina il risultato finale delle reazioni all'interno di un reticolo, i nuclei composti, e poi torna indietro per scoprire le proprietà e le energie coinvolte nella reazione.
"Non calcoliamo le reazioni in sé, ma osserviamo piuttosto la struttura del prodotto finale", spiega König. "Mentre cambiamo la dimensione della 'scatola', cambieranno anche le simulazioni e i risultati. Da queste informazioni, possiamo effettivamente estrarre parametri che determinano cosa succede quando queste particelle cariche interagiscono."
"La derivazione della formula è stata inaspettatamente impegnativa", aggiunge Hang Yu, studente laureato alla NC State e primo autore del lavoro, "ma il risultato finale è piuttosto bello e ha importanti applicazioni."
Da queste informazioni il team ha sviluppato una formula e l'ha testata rispetto ai calcoli di benchmark, che sono valutazioni effettuate tramite metodi tradizionali, per garantire che i risultati fossero accurati e pronti per essere utilizzati in applicazioni future.
"Questo è il lavoro di base che ci dice come analizzare una simulazione per estrarre i dati di cui abbiamo bisogno per migliorare le previsioni sulle reazioni nucleari", afferma König. "Il cosmo è enorme, ma per capirlo devi guardare ai suoi componenti più piccoli. Questo è ciò che stiamo facendo qui:concentrarci sui piccoli dettagli per orientare meglio la nostra analisi del quadro più ampio."
Lo studente laureato della NC State Hang Yu è il primo autore dell'opera. Dean Lee, professore di fisica e capo del dipartimento di scienze nucleari teoriche presso la Facility for Rare Isotope Beams della Michigan State University, è stato coautore del lavoro. Lee era in precedenza alla NC State e rimane professore aggiunto di fisica alla NC State.
Ulteriori informazioni: Hang Yu et al, Stati legati di particelle cariche in scatole periodiche, lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.212502
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dalla North Carolina State University
