Die Kenntnis geladener Teilchen hilft Physikern, die Entstehung von Elementen in Sternen zu simulieren.

27. November 2023

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von Tracey Peake, North Carolina State University

Neue Forschungsergebnisse aus der North Carolina State University und der Michigan State University eröffnen einen neuen Ansatz für die Modellierung von niederenergetischen Kernreaktionen, die für die Bildung von Elementen in Sternen entscheidend sind. Die Forschung legt den Grundstein für die Berechnung der Wechselwirkung von Nukleonen, wenn die Teilchen elektrisch geladen sind.

Die Arbeit erscheint in Physical Review Letters.

Die Vorhersage der Art und Weise, wie atomare Kerne - Cluster von Protonen und Neutronen, die zusammen als Nukleonen bezeichnet werden - größere Verbundkerne bilden, ist ein wichtiger Schritt zur Erklärung der Entstehung von Elementen in Sternen.

Da die relevanten Kerndaten experimentell schwer zu messen sind, nutzen Physiker numerische Gitter, um diese Systeme zu simulieren. Das endliche Gitter, das in solchen numerischen Simulationen verwendet wird, fungiert im Wesentlichen als imaginäre Box um eine Gruppe von Nukleonen, die es den Physikern ermöglicht, die Eigenschaften eines aus diesen Teilchen gebildeten Kerns zu berechnen.

Bisher fehlten solchen Simulationen jedoch eine Möglichkeit, Eigenschaften vorherzusagen, die niederenergetische Reaktionen betreffen, bei denen geladene Cluster aus mehreren Protonen entstehen. Dies ist wichtig, weil diese niederenergetischen Reaktionen unter anderem für die Elementbildung in Sternen entscheidend sind.

'Während die 'starke Kernkraft' Protonen und Neutronen in atomaren Kernen zusammenhält, spielt die elektromagnetische Abstoßung zwischen Protonen eine wichtige Rolle in der Gesamtstruktur und Dynamik des Kerns', sagt Sebastian König, Assistenzprofessor für Physik an der NC State und der entsprechende Autor der Forschung.

'Diese Kraft ist besonders stark bei den niedrigsten Energien, wo viele wichtige Prozesse stattfinden, die die Elemente synthetisieren, aus denen wir die Welt kennen', sagt König. 'Aber es ist eine Herausforderung für die Theorie, diese Wechselwirkungen vorherzusagen.'

Also beschlossen König und seine Kollegen, rückwärts zu arbeiten. Ihr Ansatz betrachtet das Endergebnis der Reaktionen innerhalb eines Gitters - die Verbundkerne - und arbeitet dann zurück, um die Eigenschaften und Energien der beteiligten Reaktionen zu entdecken.

'Wir berechnen nicht die Reaktionen selbst; stattdessen betrachten wir die Struktur des Endprodukts', sagt König. 'Wenn wir die Größe der 'Box' ändern, werden auch die Simulationen und Ergebnisse verändern. Aus diesen Informationen können wir tatsächlich Parameter extrahieren, die bestimmen, was passiert, wenn diese geladenen Teilchen miteinander interagieren.'

'Die Ableitung der Formel war unerwartet herausfordernd', fügt Hang Yu, Doktorand an der NC State und Erstautor der Arbeit, hinzu, 'aber das Endergebnis ist sehr schön und hat wichtige Anwendungen.'

Aus diesen Informationen hat das Team eine Formel entwickelt und diese gegen Benchmark-Berechnungen getestet, die mit traditionellen Methoden durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse genau sind und in zukünftigen Anwendungen verwendet werden können.

'Dies ist die Grundlagenarbeit, die uns zeigt, wie wir eine Simulation analysieren müssen, um die Daten zu extrahieren, die wir für die Verbesserung von Vorhersagen für Kernreaktionen benötigen', sagt König. 'Das Universum ist enorm, aber um es zu verstehen, musst du seine winzigsten Bestandteile betrachten. Das ist es, was wir hier tun - wir konzentrieren uns auf die kleinen Details, um unsere Analyse des größeren Bildes besser zu informieren.'

Hang Yu, Doktorand an der NC State, ist Erstautor der Arbeit. Dean Lee, Professor für Physik und Leiter der Abteilung für Theoretische Kernwissenschaften am Facility for Rare Isotope Beams der Michigan State University, ist Mitautor der Arbeit. Lee war früher an der NC State tätig und ist weiterhin außerordentlicher Professor für Physik an der NC State.

Journalinformation:  Physical Review Letters

Bereitgestellt von der North Carolina State University