Jedrska snov je blizu prelomu kvantne faze • Igor Ivanov • Znanstvene novice o "Elementih" • Fizika

Jedrska snov je blizu točke kvantne faze

Sl. 1. Kvantni fazni prehod v atomskem jedru: z majhno spremembo jedrskih sil, kompaktno jedro (na levi strani) se lahko nenadoma pretvorite v plin šibko interakcij alfa delcev (na desni). Rešetka simbolizira metodo numeričnega izračunavanja, ki je bila uporabljena v nedavnem članku, da bi ugotovili, da je jedrska snov dejansko blizu točke kvantnega faznega prehoda. Slika iz člena D. J. Dean. Pogled na točko: Odkrivanje kvantne faze v jedru

Numerični izračuni energije vezave več jeder (8Be, 12C, 16O, 20Ne) prepričljivo dokazala prisotnost kvantne fazne tranzicije v diagramu modelov jedrske snovi. Na eni strani te meje so običajna kompaktna jedra, na drugi – plin alfa delcev, ki se ne morejo povezati z nekaj trdnejšim. Poleg tega je resnično stanje v vseh pogledih zelo blizu tej točki, kar odpira nove priložnosti za podrobnejše študije o strukturi atomskih jeder alfa-grozdov.

Glavna naloga jedrske fizike

Jedrska fizika ni več prva temeljna znanost. Kljub temu ostaja zelo težko za izračune in hkrati praktično pomembno področje fizike.Tisoči izotopov so že znani in ob upoštevanju njihovih vznemirjenih stanj veliko deset tisoč. Vsi od njih igrajo vlogo pri različnih jedrskih transformacijah, ki segajo od gorenja goriva v jedrskih reaktorjih in konča z nukleozintezo v zgodnjem vesolju. In vse to mora biti sposobno natančno šteti.

Glavni problem jedrske fizike je računanje energije vezave in strukture poljubnega niza protonov in nevtronov; potem bo prišlo iz radioaktivnosti in vsega drugega. Ta računska naloga je zelo zapletena. Tudi parna interakcija dveh nukleona (protonov ali nevtronov) je precej zgoščena stvar, in multi-nukleonske interakcije popolnoma zapletejo to nalogo celo za majhna jedra. Zato morajo fiziki zgraditi deskriptivne modele, pritegniti fizične analogije ali skušati čim bolj iskati vse, kar je iskreno, od prvih načel, s pomočjo zelo zapletenih numeričnih izračunov. V zadnjem desetletju je bil dosežen pomemben napredek: fiziki so se v okviru različnih pristopov naučili natančno izračunati strukturo in energijo priklopa majhnih jeder (glej pregledni članek o sodobni teoriji jedrskih sil).Tudi če vam superračunalnik dodeli številko, je vedno v pomoč pri razumevanju fizične slike za tem rezultatom.

V nedavnem članku velike skupine teorij Nuclear Binding Near Quantum Phase Transition, objavljene v reviji Pisni pregledi fizike, je povedano o kvalitativno novem rezultatu jedrske fizike, lahko rečemo celo o novem pogledu na jedrsko komunikacijo. Na podlagi numerične študije alfa podobnih jeder, to je jeder z enakim in enakim številom protonov in nevtronov, so avtorji prišli do zaključka, da jedrska snov je blizu praga kvantnega faznega prehoda. Če bi se zakoni jedrske fizike nekoliko razlikovali od realnosti in naš svet bi presegel ta prag – ne bi obstajala jedra, težja od helija. Težje jedro bi preprosto zlomilo v niz alfa delcev in posameznih nukleonov. Torej lahko znova rečeš, da je naš svet s svojo kompleksno kemično sestavo, sposoben ustvarjanja življenja, zelo srečen s fizičnimi zakoni.

Kvantni fazni prehodi

Preden se pogovarjamo o samem delu, moramo pojasniti, kaj je to – kvantni fazni prehod.

Vsem je dobro znano, da je lahko enaka snov, odvisno od zunanjih pogojev, v različnih agregatnih stanjih ali, bolj natančno, v različnih termodinamičnih fazah.S spremembo temperature ali tlaka pride do faznega prehoda: snov se spremeni iz ene faze v drugo. Ogrejemo led – tali, segrevamo vodo – vre. V tem primeru molekule ostanejo enake, mikroskopske sile interakcije med njimi se ne spreminjajo, vendar se z naraščajočo temperaturo spreminja samo optimalen način njihove organizacije. Privlačne sile ponavadi racionalizirajo strukturo snovi, termično gibanje, nasprotno, motnjo. Lahko rečemo, da gre za boj proti termalnemu gibanju proti gravitacijskim silam, ki povzročajo, da se snov korenito spremeni.

Termično gibanje ima "zaveznik" v boju proti skupnemu redu – to so kvantna nihanja delcev. Glede na kvantno mehaniko ni mogoče natančno lokalizirati delcev; vedno obstaja v obliki oblaka, zamazanega nad določeno količino. Tudi če se temperatura spusti na absolutno ničlo, potem ko je vsa toplotna gibanja zamrznjena, bodo kvantna nihanja ostala in bo motila sistem.

Za razliko od temperature, kvantnih nihanj ni mogoče močnejši ali šibkejši. Toda v nekaterih situacijah lahko spremenite silo privlačnosti med delci.Če je privlačnost prešibka, kvantna nihanja zmagajo in snov postane krhka ali plinasta. Če je privlačnost dovolj močna, ohranja kvantno nihanje "in check" in zagotavlja gosto strukturo snovi. Gladko spreminjanje sile privlačnosti lahko opazimo najbolj realen fazni prehod iz enega v drugo državo. Ampak samo temperatura v njej ni pomembna; na splošno je lahko samovoljno blizu nič. Transformacija ni posledica termičnega, ampak zaradi kvantnega gibanja delcev – in zato se imenuje kvantni fazni prehod. Zmerno priljubljen uvod v to temo najdete v pregledih S. M. Stišova. "Kvantni fazni prehodi" in M. Vojta. Kvantni fazni prehodi.

Podatki o prehodu kvantne faze v nekem sistemu so zelo pomembni za razumevanje tega, kako ta sistem živi, ​​katere stopnje svobode so v njej (in to je ključno vprašanje celotne fizike kondenzirane snovi). Ta fazni prehod ni niti opazen; samo bližina je lahko namig za boljše razumevanje pojavov v tem sistemu. Zato so vsi primeri, v katerih se pojavi kvantni fazni prehod, še posebej zanimivi za teoretike in preizkuševalce.

Poiščite kvantni fazni prehod v jedrski snovi

Zdaj se vrnemo v atomska jedra, kapljice jedrske snovi. Fiziki lahko fizično vplivajo na lastnosti jedrske snovi. Na primer, jedre lahko potisnete drug z drugim pri visoki energiji in vidite, kako je nastala super-vroča in super-gosta skupina, jedrska snov pretrpi fazni prehod v kvark-gluon plazmo. Toda to je običajna transformacija termične faze.

Do zdaj se nismo morali ukvarjati s kvantnimi faznimi prehodi v jedrski fiziki. To ni presenetljivo. Ne vemo, kako "zaviti" jedrske sile, kar pomeni, da ne moremo gladko prenesti jedra iz ene države v drugo. Vendar pa lahko te teoretično preučimo s smiselnim modeliranjem jedrskih sil. To je tisto, kar je bilo storjeno v novem delu na primeru alfa podobnih jeder, to je jeder, katerih nukleonska sestava je večkratna sestava alfa-delcev.

To je posledica poudarjene vloge takšnih jeder. Eksperimentalno je znano, da je alfa delec (dva protonska in dva neutrona) izredno močan jedrski konglomerat. Tako močno, da se lahko druga jedra, ki vsebujejo enakomerno in enako število protonov in nevtronov, do neke mere štejejo za zamašene alfa delce, in ne kot preprosto skupino protonov in nevtronov. Dve taki grozdi (jedro 8Be) ne tvori stabilnega jedra sploh – namig, da jedrska privlačnost med delci alfa ni tako močna. Trije grozdi, to je jedro 12C, – precej stabilen. Ampak on ima zelo pomembno šibko vezano navdušeno državo (državo Hojle), ki je igrala ključno vlogo pri nukleosintezi v zgodnji vesolju in brez katere ne bi bilo tebe in mene v vesolju. Druga jedra (kisik-16, neon-20 itd.) So še močnejši, njihov spekter vzbujanja pa lahko vsebuje tudi zanimiva stanja.

Avtorji novega dela so se odločili, da ugotovijo, ali se bo ta slika spremenila, če bo zakon jedrskih sil nekoliko popravljen. Za to so zgradili dva modela nukleonsko-nukleonske interakcije (model A in model B) in v okviru kompleksnega numeričnega izračuna, ki temelji na kiralni učinkoviti teoriji polj na rešetki, je izračunala energijo vezave alfa podobnih jeder do 20Ne. Oba modela sploh niso bila vzeta iz stropa, temveč temeljita na podatkih številnih nizkoenergetskih eksperimentov pri trčenju protona. Rahlo se razlikujejo glede na stopnjo lokacije v interakciji z nukleonom, vendar pa za izotope vodika in helija dajejo skoraj enake rezultate. Vendar pa se za jedre težje začnejo divergirati.Ker cilj dela ni bil povsem sovpadati z eksperimentom, temveč da bi dokazali obstoj novega učinka in omogočili drugim skupinam, da preverijo svoje rezultate, so se avtorji izračunov izrecno omejili na prvo približevanje teorije perturbacije.

Modeli A in B se je nekoliko nekoliko razlikovala, vendar sta pripeljala do radikalno različnih slik jedrske snovi. Za model A smo dobili energijo vezave alfa podobnih jeder z natančnostjo, boljšo od odstotka, večkratno energijo vezave alfa delcev. Na primer, energija vezi 16O je bil natančno 4-krat večja energija vezave alfa delcev. To pomeni, da v tem modelu nobenih težkih jeder per se; Namesto tega model napoveduje redčen alfa plin. Model B, nasprotno, kaže presežek vezave energije v primerjavi z množico delcev alfa. Jedro v tem modelu so precej močne, vključno z berilijem-8, ki je v naravi nestabilna. Ta dva rezultata – alfa jedra v obliki kompaktnega jedra in v obliki raztopljenega plina – sta prikazana na sl. 1.

Naslednji korak je, da se avtorji odločijo, kaj se bo zgodilo z jedrsko snovjo, če vzamemo nekaj med modeli A in B.Zapisali so potencial interakcije v obliki \ (V = (1- \ lambda) V_A + \ lambda V_B \), kjer se parameter λ spreminja od nič do ene. Zero pomeni čist model A, enota – čisti model B. Rahlo spreminjajoč se λ, so avtorji sledili energijam vezave istih jeder.

Sl. 2 Kvantni fazni diagram jedrske snovi, pridobljen v članku. V območju na levi (prikazano v modri barvi) težkih jeder ne obstaja, namesto tega obstaja plin alfa delcev. V območju na desni (prikazano zelena) se lahko tvorijo težka jedra. Rdeča črta med njimi je linija kvantne faze tranzicije. Slika iz članka v razpravi Pisni pregledi fizike

Na sliki. 2 prikazuje rezultate. Vertikalno odloženo presežek energijo vezave na samenergijo alfa delcev. Nič v tej lestvici pomeni, da se dobi niz alfa delcev, vrednosti pod ničlo pa so kompaktno jedro. Pri λ = 1 (čisti model B) so vsa jedra dobro povezana, toda z zmanjšanjem tega parametra se energija vezave leze in ena za drugo doseže nič. Pri λ = 0 (čisti model A) se vsa preučevana jedra razdeli v delce alfa.

Ta številka predstavlja prvi poskus izgradnje kvantne (neterodinamične!) Faze diagrama jedrske snovi v okviru približkov, ki jih uporabljajo avtorji.Ta diagram je razdeljen na dva dela z rdečo črto – linijo kvantnega faznega prehoda. Levo, jedrska snov obstaja v obliki raztopljenega plina alfa delcev, ki se ne morejo zbrati v nekaj več. V območju na desni – vsaj nekaj težkih jeder obstaja. Resnična jedrska snov v našem svetu leži na desni, v zelenem območju, vendar ne preveč daleč od kvantne faze tranzicije. Natančnejšo oceno bližine lahko podamo samo po ponovitvi iste študije, vendar brez poenostavitev z najbolj verjetno interakcijo.

Na tehnični strani je študija pokazala, da je interakcija delcev alfa zelo občutljiva na podrobnosti o nukleon-nukleonski interakciji. Model se nekoliko spreminja – in alfa delci bodisi združijo v močne težke jedre ali pa živijo ločeno. Raztresenje alfa delcev na drugi je prav tako močno odvisno od podrobnosti sil nukleona. Toda to pomeni, da se problem lahko obrne: lahko uporabite podatke o razprševanju alfa delcev, da bi dramatično izboljšali modele nukleonske interakcije. Ta pristop je že bil uporabljen v drugih modelih, avtorji pa tukaj vidijo še en korak za pojasnitev izračunov jedrske strukture iz prvih načel.

Zaradi bližine jedrske snovi kvantni fazni tranziciji se pojavlja tudi nova metoda za preučevanje jeder alfa grozdov in njihovih vzburjenih stanj. Na primer, grozljivo stanje v ogljiku, ki ga je prizadevanja iste skupine avtorjev pred kratkim reproducirala v kompleksnem numeričnem izračunu iz prvih načel, se lahko izkaže za povezano z manj znanim Efimovim državam. Na splošno so fiziki, poleg besnega numeričnega izračuna, nova priložnost za kvalitativno razumevanje učinkov jedrske strukture.

Vir: S. Elhatisari et al. Jedrska vezava v bližini kvantne faze tranzicije // Pisni pregledi fizike. V. 117, 132501 (19. september 2016); Članek je na voljo tudi kot preprint arXiv: 1602.04539 [nucl-th].

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: