Capire le particelle cariche aiuta i fisici a simulare la creazione di elementi nelle stelle.

27 novembre 2023

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corretto da Tracey Peake, della North Carolina State University

Nuove ricerche dell'Università della North Carolina e dell'Università dello Stato del Michigan aprono una nuova strada per la modellazione di reazioni nucleari a bassa energia, che sono essenziali per la formazione degli elementi all'interno delle stelle. Questa ricerca getta le basi per calcolare come i nucleoni interagiscono quando le particelle sono cariche elettricamente.

Questo lavoro appare in Physical Review Letters.

Prevedere i modi in cui i nuclei atomici, raggruppamenti di protoni e neutroni, noti come nucleoni, si uniscono per formare nuclei composti più grandi è un passo importante per capire come gli elementi si formano 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 funziona essenzialmente come una scatola immaginaria intorno a un gruppo di nucleoni, che consente ai fisici di calcolare le proprietà di un nucleo formato da queste particelle.

Tuttavia, finora queste simulazioni sono state prive di un modo per prevedere le proprietà che governano le reazioni a bassa energia che coinvolgono raggruppamenti di cariche derivanti da protoni multipli. Questo è importante perché queste reazioni a bassa energia sono vitali per la formazione degli elementi nelle stelle, tra le altre cose.

"Mentre la 'forza nucleare forte' lega insieme protoni e neutroni nei nuclei atomici, la repulsione elettromagnetica tra i protoni svolge un ruolo importante nella struttura e nella dinamica del nucleo", afferma Sebastian König, professore associato di fisica presso la NC State e autore corrispondente della ricerca.

"Questa forza è particolarmente intensa alle energie più basse, dove molti importanti processi sintetizzano gli elementi che compongono il mondo che conosciamo", afferma König. "Ma è una sfida per la teoria prevedere queste interazioni."

Quindi König e colleghi hanno deciso di lavorare al contrario. Il loro approccio guarda al risultato finale delle reazioni all'interno di un reticolo, ovvero i nuclei composti, e quindi retrocede per scoprire le proprietà e le energie coinvolte nella reazione.

"Non stiamo calcolando le reazioni in sé, ma stiamo guardando la struttura del prodotto finale", dice König. "Man mano che cambiamo le dimensioni della 'scatola', le simulazioni e i risultati cambieranno anche. Da queste informazioni, possiamo effettivamente estrarre parametri che determinano cosa accade quando queste particelle cariche interagiscono".

"La derivazione della formula è stata inaspettatamente difficile", aggiunge Hang Yu, studente di dottorato presso la NC State e primo autore del lavoro, "ma il risultato finale è molto bello e ha importanti applicazioni".

Da queste informazioni, il team ha sviluppato una formula e l'ha testata contro calcoli di riferimento, che sono valutazioni effettuate tramite metodi tradizionali, per assicurarsi che i risultati fossero accurati e pronti per essere utilizzati in future applicazioni.

"Questo è il lavoro preliminare che ci dice come analizzare una simulazione al fine di estrarre i dati di cui abbiamo bisogno per migliorare le previsioni per le reazioni nucleari", afferma König. "L'universo è enorme, ma per comprenderlo è necessario guardare i suoi componenti più piccoli. Ecco quello che stiamo facendo qui: concentrandoci sui piccoli dettagli per informare meglio la nostra analisi del quadro generale".

Hang Yu, studente di dottorato alla NC State, è il primo autore del lavoro. Dean Lee, professore di fisica e responsabile del dipartimento di scienze nucleari teoriche presso il Facility for Rare Isotope Beams presso l'Università dello Stato del Michigan, ha collaborato a questo lavoro. Lee in passato era alla NC State e rimane professore associato di fisica alla NC State.

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters

Fornito da North Carolina State University