Atomkärnor uppvisar flera energiskalor samtidigt – med spann från hundratals ner till bråkdelar av en megaelektronvolt. En ny studie visar att dessa drastiskt olika skalor kan förklaras genom beräkningar baserade på den starka kraften. Forskningen förutspår även att atomkärnan neon-30 uppvisar flera samexisterande former.
– Denna upptäckt är otroligt viktig för att förstå gränserna för den synliga materiens stabilitet och hur dessa kan förankras i vår teori för den starka kraften, säger Christian Forssén, professor på institutionen för fysik på Chalmers.
Tillsammans med Andreas Ekström, biträdande professor på samma institution, har de varit en del av forskargruppen som nu presenterar sina resultat i Physical Review X, en vetenskaplig tidskrift från American Physical Society (APS). Utöver Chalmers, är forskarna bakom studien verksamma vid amerikanska Oak Ridge National Laboratory och University of Tennessee.
Chalmersforskarna har bidragit med att konstruera modellen för den starka kraften som binder protoner och neutroner i atomkärnan och utvecklingen av emuleringsmetoder för att analysera hur komponenter i den starka kraften påverkar uppkomsten av deformerade atomkärnor.
Multiskaliga fenomen kopplas till den starka kraften
Atomkärnor kännetecknas av hundratals megaelektronvolt i bindningsenergier men kan samtidigt uppvisa kollektiva excitationer på bråkdelar av en megaelektronvolt. Forskargruppens omfattande teoretiska analys visar nu att denna multiskaliga fysik kan förklaras med beräkningar förankrade i en mikroskopisk beskrivning av den starka kraften. Studien förutspår dessutom att atomkärnan neon-30 uppvisar samexisterande sfäriska och deformerade former.
Multiskaliga kärnfenomen har observerats under lång tid, men det har varit en stor utmaning att koppla dessa fenomen närmare den grundläggande teorin för den starka kraften, kvantkromodynamik. Den starka kraften är central för all synlig materia i universum och med en bättre förståelse för den kan man beskriva allt från hur våra grundämnen bildas i universum till atomkärnors kvantmekaniska struktur och bindning.
Nya beräkningsmetoder
Forskarlaget har utvecklat nya beräkningsmetoder som gör det möjligt att analysera kopplingen mellan multiskaliga och emergenta fenomen och den fundamentala teorin som beskriver den starka kraften.
Metoderna kretsar dels kring effektiva teorier för kvantkromodynamik och modellreduktion för väldigt exakt emulering av lösningar till Schrödingerekvationen. Forskarna har tillämpat två- och tre-nukleonkrafter i en metod som först bryter och sedan återställer rotationssymmetrin i atomkärnan neon-30, och har sedan konstruerat en emulator för att studera den starka kraftens parameterberoende i atomkärnans vågfunktion.
– Våra nya metoder, tillsammans med statistiska analyser, knyter samman den mikroskopiska beskrivningen av atomkärnor och den starka kraften. Detta är ett viktigt steg för vårt fortsatta arbete med att förutsäga atomkärnors egenskaper över hela nuklidkartan, säger Andreas Ekström.
Mer om forskningen:
Artikeln Multiscale physics of atomic nuclei from first principles publicerades i Physical Review X, den 10 februari 2025. Den är skriven av Z. H. Sun, A. Ekström, C. Forssén, G. Hagen, G. R. Jansen och T. Papenbrock.
Läs mer om studien i en ”Physics Viewpoint” från APS: How does a nucleus get its shape?
Kontakt
- Professor, Subatomär, högenergi- och plasmafysik, Fysik
- Biträdande professor, Subatomär, högenergi- och plasmafysik, Fysik