Dự đoán giới hạn của hạt nhân nguyên tử: Mô phỏng các vùng rộng của sơ đồ nuclit

Các tính toán theo nguyên lý ban đầu mới toàn cầu từ heli tới sắt (nguyên tố He và Fe). Vùng xám chứng tỏ tất cả 700 hạt nhân nguyên tử được tính toán, trong khi vùng màu sắc (và cao) cho mỗi đồng vị với con số N và số Z proton Z tương ứng với xác suất là đường biên (đường biên xác suất). So sánh, đường biên giới hạn neutron và proton đã biết trong thực nghiệm và đồng vị đã được khám phá mới nhất đã được chứng tỏ với việc lấp đầy và rỗng. Nguồn: Technische Universitat DarmstadtaC

Trong một bài báo xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, các nhà khoa học từ TU Darmstadt, trường đại học Washington, Phòng thí nghiệm TRIUMF Canada và trường đại học Mainz cho biết cách họ mô phỏng dựa trên những phương pháp lý thuyết đầy sáng tạo một vùng rộng của sơ đồ các nuclit – những nguyên tử có đặc tính do số lượng protons, số lượng neutrons, và mức năng lượng hạt nhân. Các phương pháp này được xây dựng trên lý thuyết về tương tác mạnh.

Hạt nhân nguyên tử liên kết với nhau bằng lực tương tác mạnh giữa các neutron và proton. Chỉ có khoảng 10% hạt nhân chúng ta biết là hạt nhân bền. Khởi nguồn từ những đồng vị bền đó, hạt nhân ngày càng trở nên không bền khi các neutron được thêm vào hoặc mất đi; chỉ cho đến khi các neutron có thể không liên kết lâu hơn với các hạt nhân và mất dần. Giới hạn của sự tồn tại, điều mà chúng ta vẫn gọi là “đường biên giới hạn” neutron, đã được khám phá qua thực nghiệm trên các nguyên tố nhẹ như neon. Hiểu về “đường biên giới hạn” neutron và cấu trúc của hạt nhân giàu neutron cũng đóng vai trò quan trọng trong chương trình nghiên cứu của thiết bị máy gia tốc tương lai FAIR tại Trung tâm nghiên cứu Ion nặng Helmholtz GSI ở Darmstadt.

Trong nghiên cứu mới “Ab Initio Limits of Nuclei” (Các giới hạn hạt nhân theo nguyên lý ban đầu), xuất bản trên Physical Review Letters, được ban biên tập giới thiệu kèm tóm tắt trong APS Physics, giáo sư Achim Schwenk, làm việc ở TU Darmstadt và là một Max Planck Fellow tại Viện nghiên cứu Vật lý hạt nhân Max Planck ở Heidelberg, cùng với các nhà khoa học từ trường đại học Washington, TRIUMF và trường đại học Mainz, đã thành công trong việc tính toán các giới hạn của hạt nhân nguyên tử bằng việc sử dụng các phương pháp lý thuyết mới cho hạt nhân có khối lượng trung bình. Kết quả nghiên cứu đem lại một lượng thông tin lớn và quý giá về những đồng vị mới có thể tạo ra, cũng như đem lại một lộ trình cho các nhà vật lý hạt nhân để xác nhận chúng.

Nghiên cứu này không phải là nỗ lực đầu tiên để khám phá về lý thuyết vùng giàu neutron của bức tranh hạt nhân. Nhiều nghiên cứu trước đây đã sử dụng thuyết phiếm hàm mật độ để dự đoán mối liên kết của các đồng vị giữa heli và các nguyên tố nặng. Nói theo cách khác, giáo sư Schwenk và đồng nghiệp lần đầu tiên khám phá sơ đồ của các nuclit trên dựa trên lý thuyết hạt nhân theo nguyên lý ban đầu. Bắt đầu từ các tương tác hai hạt và ba hạt ở cấp độ vi mô, họ giải quyết phương trình Schrödinger cho nhiều hạt để mô phỏng các đặc tính của hạt nhân nguyên tử từ heli đến sắt. Họ đã hoàn thành điều này bằng việc sử dụng một phương pháp hệ nhiều hạt theo nguyên lý ban đầu mới – Nhóm tái chuẩn hóa đồng đẳng trung bình – kết hợp với phần mở rộng để tính các quỹ đạo, qua đó có thể xác định tất cả các hạt nhân một cách đáng tin cậy.

Bắt đầu từ các tương tác hai hạt và ba hạt nucleon trên cơ sở lực tương tác mạnh, sắc động lực học lượng tử, các nhà nghiên cứu tính toán các mức năng lượng ở trạng thái nền ở gần 700 đồng vị phóng xạ. Các kết quả thu được đều phù hợp với những đo đạc trước đây và đóng vai trò như cơ sở để xác định vị trí của các đường biên giới hạn của neutron và proton. So sánh với những đo đạc khối lượng thực nghiệm và một phân tích thống kê cho phép xác định những bất định về lý thuyết cho những dự đoán của họ, như các mức năng lượng phân tách của hạt nhân cũng như xác suất về một đồng vị xuất hiện hoặc không tồn tại.

Nghiên cứu mới được coi như một cột mốc đáng nhớ về cách hiểu sơ đồ các nuclit và cấu trúc hạt nhân đột sinh từ tương tác mạnh. Đây là vấn đề quan trọng của Trung tâm hợp tác 1245do DFG tài trợ “Nuclei: From Fundamental Interactions to Structure and Stars” (Hạt nhân: Từ các tương tác cơ bản đến cấu trúc và các ngôi sao) tại TU Darmstadt, nơi thực hiện nghiên cứu này. Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu muốn mở rộng áp dụng các tính toán của họ cho các nguyên tố nặng hơn theo trật tự để cải thiện đầu vào cho mô phỏng về tổng hợp các nguyên tố nặng. Tiến trình đó có trong các môi trường giàu neutron theo hướng đường biên giới hạn neutron và xuất hiện trong tự nhiên khi các ngôi sao neutron sáp nhập hoặc trong các siêu tân tinh ở trạng thái tới hạn.