A nukleáris anyag közel van a kvantumfázis-átmenet pontjához • Igor Ivanov • Tudományos hírek az "elemekről" • Fizika

A nukleáris anyag közel áll a kvantumfázis-átmenet pontjához

Ábra. 1. Kvantumfázis-átmenet az atommagban: a nukleáris erők kis változásával, egy kompakt maggal (a bal oldalon) hirtelen átválthat egy gyengén kölcsönható alfa részecskék gázaként (a jobb oldalon). A rács a számszerű számítás módszerét szimbolizálja, amelyet egy nemrég megjelent cikkben használt, hogy felfedezze, hogy a nukleáris anyag valóban közel van a kvantumfázis-átmenet pontjához. Ábra D. J. Dean cikkéből. Nézetpont: A kvantumfázisú átmenet elmozdulása a magokban

Több atommag kötési energiájának numerikus számítása (8Be, 12C, 16O, 20Ne) meggyőzően bizonyította a kvantumfázis-átmenet jelenlétét a nukleáris anyag modellek diagramjában. Ennek a határnak az egyik oldalán a szokásos kompakt magok, másrészt – az alfa részecskék gázja, amely nem tud valami szilárdabbat kötni. Ráadásul minden szempontból meglehetősen közel áll az igazi helyzet, ami új lehetőségeket nyit meg az alfa-klaszter atomok szerkezetének részletesebb tanulmányozásához.

A nukleáris fizika fő feladata

Az atomfizika már nem az alapkutatás élvonalában van. Mindazonáltal a számítások és ugyanakkor a fizika gyakorlatilag fontos területe nagyon nehéz marad.Több ezer izotóp már ismeretes, figyelembe véve izgatott állapotukat, több tízezer embert. Mindegyikük szerepet játszik a különböző nukleáris átalakításokban, kezdve a nukleáris reaktorokban lévő üzemanyag égetésétől, és a korai univerzum nukleoszintézisével végződik. És mindeznek képesnek kell lennie arra, hogy pontosan számoljon.

A nukleáris fizika fő problémája az, hogy kiszámolják a kötő energiát és a tetszőleges protonok és neutronok halmazát; akkor rádióaktivitás és minden mást fog kivenni belőle. Ez a számítási feladat nagyon összetett. Még a két nukleon (protonok vagy neutronok) páronkénti kölcsönhatása is eléggé felhalmozott dolog, és a multi-nukleon kölcsönhatások teljesen kompromittálják ezt a feladatot még kis magok esetén is. Ezért a fizikusoknak vagy leíró jellegű modelleket kell létrehozniuk, amelyek a fizikai analógiákat vonzzák, vagy megpróbálnak számolni mindenről őszintén, fejjel, az első elvektől, nagyon összetett numerikus számítások segítségével. Jelentős előrelépés történt az elmúlt évtizedben: a különböző megközelítések keretében a fizikusok megtanulják pontosan kiszámítani a kis magok összekapcsolásának szerkezetét és energiáját (lásd a nukleáris erők modern elméletéről szóló áttekintő cikket).Azonban még akkor is, ha a szuperszámítógép megad egy számot, mindig hasznos, hogy tisztán megértsük az eredmény mögötti fizikai képet.

Egy nemrégiben megjelent cikk, amelyet egy nagy csoport elméleti nukleáris kötés közel egy kvantum-fázisú átmenetben, megjelent a folyóiratban Fizikai felülvizsgálati levelek, az atomfizika minőségi új eredményeiről van szó, az új nukleáris kommunikációról beszélhetünk. Az alfa-szerű magok, azaz egyenlő és azonos számú protonok és neutronok számszerű vizsgálatán alapulva a szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy a nukleáris anyag közel áll a kvantumfázis-átmenet küszöbéhez. Ha a nukleáris fizika törvényei kissé eltérnének a valóságtól, és világunk meghaladná ezt a küszöbértéket – a heliumnál nehezebb magok léteznének. A nehezebb magok egyszerűen egy alfa-részecskékből és egyéni nukleonokból állnak össze. Így ismét azt mondhatod, hogy a világunk – összetett összetételű, életképes összetételű – nagyon szerencsés volt a fizikai törvényekkel.

Kvantumfázisú átmenetek

Mielőtt maga a műről beszélnénk, meg kell magyaráznunk, mi ez – egy kvantumfázisú átmenet.

Mindenkinek jól ismert, hogy ugyanaz az anyag a külső körülményektől függően különböző aggregatív állapotokban, vagy valamivel pontosabban különböző termodinamikai fázisokban lehet.Hőmérséklet vagy nyomásváltozás esetén fázisátalakítás történik: egy anyag egy fázisból a másikba fordul. Felmelegítjük a jeget – megolvad, felmelegítjük a vizet – forrunk. Ebben az esetben a molekulák ugyanazok maradnak, a mikroszkópikus kölcsönhatások nem változnak egymáshoz, de szervezetük optimális módja változik a növekvő hőmérséklet mellett. A vonzerő erők egyszerűsítik az anyag szerkezetét, a termikus mozgást, éppen ellenkezőleg, a rendellenességet. Meg lehet mondani, hogy éppen a termikus mozgalom harcai a gravitációs erõkkel szemben, amely az anyagot radikálisan megváltoztatja.

A termikus mozgás "szövetséges" a teljes rend elleni küzdelemben – ezek a részecskék kvantum-ingadozásai. A kvantummechanika szerint nem lehet pontosan lokalizálni a részecskéket; Mindig létezik egy felhő formájában, amely bizonyos mennyiségben terjed. Még akkor is, ha a hőmérsékletet abszolút nulla értékre csökkenti, miután megfagyasztotta az összes termikus mozgást, a kvantum ingadozások megmaradnak és hajlamosak a rendszert zavarni.

A hőmérsékletektől eltérően a kvantum-ingadozások nem lehetnek erősebbek vagy gyengébbek. De bizonyos helyzetekben megváltoztathatja a részecskék vonzerejének erejét.Ha a vonzás túl gyenge, akkor a kvantum-ingadozások nyernek, és az anyag válik szégyenletes vagy gázneművé. Ha a vonzás elég erős, akkor a kvantum ingadozásait "ellenőrizni", és az anyag sűrű struktúráját biztosítja. A vonzás erőteljes megváltoztatásával megfigyelhetjük a legfeltűnőbb fázisátmenetet egyik államról a másikra. De csak a hőmérséklet nem számít; általában tetszőlegesen nullához közeli. Az átalakulás nem a termikus, hanem a részecskék kvantum mozgásának köszönhetően – ezért kvantumfázis-átmenetnek nevezik. Ennek a témának a mérsékelten népszerű bevezetése megtalálható a S. M. Stishov-i véleményében. "Quantum fázisátmenet" és M. Vojta. Kvantumfázisú átmenetek.

Az információ, hogy van valamiféle kvantumfázis-átmenet bizonyos rendszerekben, nagyon fontos annak megértéséhez, hogy ez a rendszer hogyan él, milyen szabadságok vannak benne (ez pedig a kondenzált anyag teljes fizikájának kulcskérdése). Ez a fázisátalakulás nem feltétlenül szükséges megfigyelni; csak annak közelsége lehet egy csipetem a rendszerben rejlő jelenségek jobb megértéséhez. Ezért minden olyan példa, amelyben egy kvantumfázis-átmenet alakul ki, különösen fontos mind a teoretikusok, mind a kísérletezők számára.

Keressen egy kvantumfázisátalakítást a nukleáris anyagban

Most visszatérek az atommagokhoz, a nukleáris cseppekhez. A fizikusok fizikailag befolyásolhatják a nukleáris anyag tulajdonságait. Például a magokat nagy energiával tudjuk tolni egymással, és megnézhetjük, hogyan alakul ki a szuper-forró és szuper sűrű csomóban, a nukleáris anyag fázisátmenet a kvark-gluon plazmába történik. De ez a szokásos termikus fázis átalakulás.

Eddig nem volt szükségünk a kvantumfázisátalakításokra a nukleáris fizikában. Ez nem meglepő. Nem tudunk "megfordítani" a nukleáris erőket, ezért nem tudjuk egyenletesen átvinni a magot egyik államról a másikra. Mindamellett elméletileg tanulmányozhatjuk ezt a kérdést, a nukleáris erők ésszerűen pontos modellezésével. Ez az, amit az új munkában az alfa-szerű magok példáján végeztek, vagyis azok a magok, amelyek nukleon összetétele az alfa-részecske-összetétel többszöröse.

Az ilyen magok kiemelt szerepét ez okozza. Kísérletileg ismeretes, hogy az alfa részecske (két proton és két neutron) rendkívül erős konglomerátum. Annyira erős, hogy az egyenletes és azonos számú protonokat és neutronokat tartalmazó más magok bizonyos mértékig megragadt alfa részecskéknek tekinthetők, és nem egyszerű protonok és neutronok készleteiként. Két ilyen klaszter (mag 8Be) egyáltalán nem alkotnak stabil magot – azt a jelzést, hogy az alfa-részecskék közötti nukleáris vonzás nem olyan erős. Három klaszter, azaz mag 12C, – egészen stabil. De nagyon fontos, gyengén kötődő gerjesztett állama (hoyle állam), amely kulcsfontosságú szerepet játszott a korai világegyetem nukleoszintézisében, és amely nélkül az Univerzumban nem lennél Ön és én. Más magok (oxigén-16, neon-20, stb.) Még erősebbek, de a gerjesztési spektrumukban érdekes állapotok is találhatók.

Az új munka szerzői úgy döntöttek, hogy kiderül, hogy ez a kép megváltozik-e, ha a nukleáris erők törvénye kissé "korrigálva". Ehhez a nukleon-nukleon interakció két modelljét (A és B modell) építették, és a rácson királis hatásos térelméleten alapuló komplex numerikus számítások keretében számították az alfa-szerű magok kötési energiáját 20Ne. Mindkét modellt egyáltalán nem vették fel a mennyezetről, hanem a protonok ütközéséről szóló számos alacsony energiájú kísérlet adatai alapján készültek. A nukleon kölcsönhatásánál a lokalitás mértékében kissé eltérnek, de a hidrogén és a hélium izotópjai közel azonos eredményeket adnak. Azonban a nehezebb magok esetében elkezdtek eltérni.Mivel a munka célja nem az, hogy pontosan egybeessen a kísérletvel, hanem új hatás kifejeződését és más csoportok eredményességének ellenőrzését is lehetővé tette, a számítások szerzői kifejezetten a perturbációs elmélet első közelítésére korlátozódtak.

Az A és B modellek kissé eltérnek a tervükben, de radikálisan eltérő képet mutattak be a nukleáris anyagról. Az A modell esetében az alfa-szerű magok kötési energiáját egy százalékosnál jobb pontossággal kaptuk meg, az alfa részecske kötési energiájának többszöröse. Például kötőenergia 16Az O-k pontosan 4-szeresebben alakultak ki az alfa részecske-kötési energiával. Ez azt jelenti, hogy ebben a modellben nincsenek nehéz magok önmagukban; ehelyett a modell egy ritkaföldfüstgázt prognosztizál. A B modell ezzel ellentétben az alfa-részecskékhez képest többletkötési energiát mutat. A modell magjai nagyon erősek, beleértve a berillium-8-at, amely instabil a természetben. Ez a két eredmény – az alfa magok kompakt magból és ritka gázok formájában – a 2. ábrán mutatjuk be. 1.

A következő lépés, a szerzők úgy döntöttek, hogy megvizsgálják, mi fog történni a nukleáris anyaggal, ha valamit vegyünk az A és a B. modellek között.Az interakciós potenciált a (V = (1- \ lambda) V_A + \ lambda V_B \) formában írják le, ahol a λ paraméter nulláról egyre változik. A nulla a tiszta A modellt jelenti, egységesen tiszta B. modellt. A kicsit változó λ, a szerzők nyomon követik ugyanazon magok kötési energiáit.

Ábra. 2. A nukleáris anyag kvantumfázisdiagramja, amelyet a cikk tartalmaz. A bal oldalon lévő területen (ábra kéken) nehézmagok nem léteznek, hanem alfa-részecskék gázja van. A jobb oldalon lévő területen (ábra zöld) nehéz magok képesek kialakulni. Vörös csíkos közöttük a kvantumfázis-átmenet vonala. Kép a cikkből a vita során Fizikai felülvizsgálati levelek

Ábrán. A 2. ábra mutatja az eredményeket. Függőleges halasztás többlet kötő energiát az alfa részecskék önenergiájához. A nulla ezen a skála alatt azt jelenti, hogy alfa-részecskék készletét kapjuk meg, a nulla alatti értékek kompakt mag. A λ = 1 (tiszta B modell) esetén minden mag jól kapcsolódik, de ennek a paraméternek a csökkenésével a kötési energiák felfelé haladnak, egymás után pedig nulla. A λ = 0 (tiszta A modell) esetén a vizsgált magok disszociálódnak alfa részecskékké.

Ez a szám az első kísérlet a nukleáris anyag kvantum (nem-termodinamikus!) Fázisdiagramjának a szerzők által használt approximációk keretén belüli megalkotására.Ez a diagram két részre oszlik vörös csíkkal – a kvantumfázis-átmenet egy sorával. Balra, a nukleáris anyag létezik egy alifás részecskék ritka gázzal, amelyek nem képesek valami többet összegyűjteni. A jobb oldalon – legalábbis néhány nehéz mag létezik. A világunkban rejlő igazi nukleáris anyag a jobb oldalon van, a zöld zónában, de nem túl messze a kvantumfázis átmenetétől. A közelség pontosabb becslése csak az ugyanazon tanulmány megismétlése után adható meg, de egyszerűsítések nélkül, a legmegfelelőbb interakcióval.

Technikai oldalon a tanulmány kimutatta, hogy az alfa-részecskék kölcsönhatása rendkívül érzékeny a nukleon-nukleon kölcsönhatás részleteire. A modell kissé megváltozik – és az alfa-részecskék erős erős magokba merülnek össze, vagy külön élnek. Az alfa részecskék szóródása egymástól erősen függ a nukleon erőinek részleteitől. De ez azt jelenti, hogy a probléma megfordítható: az alfa-részecskék szóródására vonatkozó adatok felhasználhatók a nukleon kölcsönhatás modelleinek drámai javítására. Ezt a megközelítést már más modellekben is használják, és a szerzők még egy lépést látnak a nukleáris szerkezet számításainak tisztázására az első elvekből.

A nukleáris anyag közelségének következtében a kvantumfázis-átmenethez hasonlóan az alfa-klasztermagok és a gerjesztett állapotok tanulmányozásának új módszere is megjelenik. Például a szénkarbantartás, amelyet ugyanazon szerzők csoportja a közelmúltban komplex numerikus számítással reprodukált az első elvektől, nem kevésbé ismert Efimov államokhoz kapcsolódhat. Általában a dühös számszámítás mellett a fizikusoknak új lehetőségük van a nukleáris szerkezet hatásainak minőségi megértésére.

Forrás: S. Elhatisari et al. Nukleáris kötés kvantumfázis-átmenet közelében // Fizikai felülvizsgálati levelek. V. 117, 132501 (2016. szeptember 19.); A cikk arxiv preprint formájában is kapható: 1602.04539 [nucl-th].

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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