
Международный коллектив физиков впервые рассчитал размер нейтронной
оболочки ядра 48Ca и показал, что она гораздо меньше, чем считалось ранее. Ученые
полагают, что новый результат существенен для теоретических предсказаний
размеров нейтронных звезд. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics, об
исследовании также можно прочесть в пресс-релизе национальной лаборатории Ок-Ридж
(ORNL).Для теоретических расчетов ученые задействовали суперкомпьютер
Titan, занимающий по
производительности вторую строчку в мировом рейтинге. Новые расчетные методики
и алгоритмы в сочетании с высокопроизводительными машинами вроде Titan позволили ученым более
точно описать параметры ядер атомов, состоящих их большого количества частиц,
например, 48Ca. Ученые провели расчет нейтронной и протонной оболочки ядра
кальция разными методами и сравнили полученные результаты. Основой расчетов является решение уравнения Шредингера и нахождение пары волновая функция и энергия. Волновая функция в квантовой механике полностью описывает состояние системы с заданной энергией в конкретный момент времени. Зная волновую функцию какой-то системы, можно вычислить вероятность получить в ходе конкретного эксперимента тот или иной результат.Однако аналитическое решение уравнение Шредингера (то есть решение в виде каких-то разумных функций) для задачи более чем двух
тел (и есть еще пять частных случаев для трех тел) неизвестно. Поэтому для такой сложной
системы как ядро атома кальция ученые прибегли к различным приближениям. В частности, вместо непрерывных параметров вводят дискретные, что позволяет заменить задачу с производными на набор систем линейных уравнений (правда, обычно, колоссальных размеров). Затем, делая
первичную догадку относительно волновой функции, итерационным методом удается
добиться довольно точного приближения. В расчете авторы прибегли к новым
теоретическим моделям квантовой хромодинамики, учитывающим сильные
взаимодействия между нуклонами. Поскольку количество
нейтронов в 48Ca
больше, чем протонов, физики ожидали, что именно нейтронная оболочка будет
определять фактический размер ядра атома. Это соответствовало более ранним
представлениям о строении ядер и подтверждалось используемыми теоретическими
моделями, основанными на теории ядерного функционала плотности (nuclear DFT). Однако результаты нового расчета показали лишь незначительную разницу
в размерах протонной и нейтронной оболочек.На данный момент команда занимается экспериментальной
проверкой полученных параметров: так, коллаборация Дармштадт-Осака измерила
поляризацию ядер 48Ca и интерпретирует его результаты. Качественную
проверку распределению нейтронов обеспечит будущий эксперимент исследователей
из лаборатории Джефферсона.Ядро 48Ca состоит из 48 нуклонов (20 протонов и
28 нейтронов). Ab initio (из первых принципов) расчет такого
ядра представляет собой решение квантовой задачи многих тел, сложность которой возрастает
экспоненциально в зависимости от числа нуклонов. В последнее время физикам удалось
упростить количество операций до полинома в степени числа частиц. Этот прогресс,
связанный с развитием квантовой теории, позволил подступиться к решению подобных
задач, хотя расчеты многочастичных ядер до сих пор требуют задействования высокопроизводительных
суперкомпьютерных комплексов.Екатерина Митрофанова
