Comprender las partículas cargadas ayuda a los físicos a simular la creación de elementos en las estrellas.

27 de noviembre de 2023

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por Tracey Peake, Universidad Estatal de Carolina del Norte

Nueva investigación de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad Estatal de Michigan abre una nueva vía para modelar reacciones nucleares de baja energía, las cuales son clave en la formación de elementos dentro de las estrellas. La investigación sienta las bases para calcular cómo interactúan los nucleones cuando las partículas están cargadas eléctricamente.

El trabajo aparece en Physical Review Letters.

Predicir las formas en que los núcleos atómicos, grupos de protones y neutrones conocidos como nucleones, se combinan para formar núcleos compuestos más grandes es un paso importante para entender cómo se forman los elementos dentro de las estrellas.

Dado que las interacciones nucleares relevantes son muy difíciles de medir experimentalmente, los físicos utilizan retículas numéricas para simular estos sistemas. La retícula finita utilizada en tales simulaciones numéricas actúa esencialmente como una caja imaginaria alrededor de un grupo de nucleones que permite a los físicos calcular las propiedades de un núcleo formado por estas partículas.

Pero hasta ahora, dichas simulaciones carecían de una forma de predecir las propiedades que rigen las reacciones de baja energía que involucran grupos cargados formados por múltiples protones. Esto es importante porque estas reacciones de baja energía son vitales para la formación de elementos en las estrellas, entre otras cosas.

"Mientras que la 'fuerte fuerza nuclear' une los protones y neutrones en los núcleos atómicos, la repulsión electromagnética entre protones desempeña un papel importante en la estructura y dinámica del núcleo", dice Sebastian König, profesor asistente de física en NC State y autor correspondiente de la investigación.

"Esta fuerza es particularmente fuerte en las energías más bajas, donde ocurren muchos procesos importantes que sintetizan los elementos que conforman el mundo que conocemos", dice König. "Pero es un desafío para la teoría predecir estas interacciones".

Entonces, König y sus colegas decidieron trabajar en reversa. Su enfoque analiza el resultado final de las reacciones dentro de una retícula, los núcleos compuestos, y luego retrocede para descubrir las propiedades y energías involucradas en la reacción.

"No estamos calculando las reacciones en sí mismas; más bien, estamos analizando la estructura del producto final", dice König. "A medida que cambiamos el tamaño de la 'caja', las simulaciones y resultados también cambiarán. A partir de esta información, en realidad podemos extraer parámetros que determinan lo que sucede cuando estas partículas cargadas interactúan".

"La derivación de la fórmula fue inesperadamente desafiante", agrega Hang Yu, estudiante de posgrado en NC State y primer autor del trabajo, "pero el resultado final es bastante hermoso y tiene aplicaciones importantes".

A partir de esta información, el equipo desarrolló una fórmula y la probó contra cálculos de referencia, los cuales son evaluaciones realizadas mediante métodos tradicionales, para asegurarse de que los resultados fueran precisos y estuvieran listos para ser utilizados en aplicaciones futuras.

"Este es el trabajo de fondo que nos dice cómo analizar una simulación para extraer los datos que necesitamos para mejorar las predicciones de las reacciones nucleares", dice König. "El cosmos es enorme, pero para entenderlo, tienes que mirar sus componentes más pequeños. Eso es lo que estamos haciendo aquí, enfocándonos en los pequeños detalles para informar mejor nuestro análisis de la imagen general".

El estudiante de posgrado de NC State, Hang Yu, es el primer autor del trabajo. Dean Lee, profesor de física y jefe del departamento de ciencia nuclear teórica en el Facility for Rare Isotope Beams de la Universidad Estatal de Michigan, es coautor del trabajo. Lee anteriormente estaba en NC State y sigue siendo profesor adjunto de física en NC State.

Información del diario: Physical Review Letters

Proporcionado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte