شبیه سازی های پیشرفته اسرار هسته ای را فاش می کند
شبیه سازی های پیشرفته اسرار هسته ای را فاش می کند -یک مطالعه پیشگامانه ساختار داخلی هسته اتم کربن را نشان می دهد ، که اهمیت حالت هویل را برجسته می کند و بینش جدیدی را در مورد آرایش ذرات هسته ای ارائه می دهد.
این تحقیق راه را برای اکتشافات بیشتر در فیزیک هسته ای هموار می کند.
داخل هسته اتم کربن چگونه است؟ مطالعه اخیر توسط Forschungszentrum Jülich، دانشگاه ایالتی میشیگان و دانشگاه بن اولین پاسخ جامع به این سوال را ارائه می دهد.
در این مطالعه، محققان تمام حالات انرژی شناخته شده هسته را شبیه سازی کردند.
اینها شامل حالت گیج کننده هویل است. اگر وجود نداشت، کربن و اکسیژن تنها در آثار کوچکی در جهان وجود داشت. در نهایت، ما نیز وجود خود را مدیون آن هستیم.
این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شد .
ترکیب و دینامیک هسته
هسته یک اتم کربن معمولاً از شش پروتون و شش نوترون تشکیل شده است.
اما دقیقاً چگونه چیده شده اند؟ و وقتی هسته با تابش پر انرژی بمباران می شود، پیکربندی آنها چگونه تغییر می کند؟
دهه‌هاست که علم به دنبال پاسخی برای این سؤالات بوده است.
نه حداقل به این دلیل که آنها می توانند کلید رمز و رازی را ارائه دهند که مدت هاست فیزیکدانان را درگیر خود کرده است: اصلاً چرا مقدار قابل توجهی کربن در فضا وجود دارد – اتمی که بدون آن هیچ حیاتی روی زمین وجود نخواهد داشت؟
تکامل عنصری جهان
از این گذشته، اندکی پس از انفجار بزرگ ، تنها هیدروژن و هلیوم وجود داشت.
هسته هیدروژن از یک پروتون منفرد تشکیل شده است که از هلیوم دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است.
همه عناصر سنگین تر تنها میلیاردها سال بعد توسط ستاره های پیر ایجاد شدند.
در آنها، هسته های هلیوم با فشار زیاد و دمای بسیار بالا به هسته های کربن ذوب می شوند.
این به سه هسته هلیوم نیاز دارد تا با هم ترکیب شوند.
پروفسور دکتر اولف مایسنر از موسسه تابش و فیزیک هسته ای هلم هولتز در دانشگاه بن و موسسه شبیه سازی پیشرفته در Forschungszentrum Jülich توضیح می دهد: “اما در واقع بسیار بعید است که این اتفاق بیفتد.” دلیل: هسته های هلیوم در کنار هم انرژی بسیار بالاتری نسبت به هسته کربن دارند.
با این حال، این بدان معنا نیست که آنها به راحتی با هم ترکیب می شوند – برعکس: انگار سه نفر می خواهند روی یک چرخ و فلک بپرند. اما از آنجایی که آنها بسیار سریعتر از پیچ های چرخ و فلک می دوند، موفق نمی شوند.
حالت هویل: کلیدی برای تشکیل کربن
در اوایل دهه 1950، اخترشناس بریتانیایی فرد هویل چنین فرض کرد که سه هسته هلیوم برای اولین بار به هم می رسند تا نوعی حالت گذار را تشکیل دهند.
این “حالت هویل” انرژی بسیار مشابهی با هسته هلیوم دارد. برای ماندن در تصویر: این یک نسخه چرخ و فلک با سرعت بیشتری است که سه مسافر می توانند به راحتی روی آن بپرند.
هنگامی که این اتفاق می افتد، چرخ فلک به سرعت عادی خود کاهش می یابد.
مایسنر، که همچنین یکی از اعضای حوزه‌های تحقیقاتی فرا رشته‌ای «مدلینگ» و «ماده» دانشگاه بن است، می‌گوید: «فقط با انحراف از حالت هویل، ستارگان می‌توانند اصلاً کربن را در هر مقدار قابل‌توجهی ایجاد کنند.
تکنیک های شبیه سازی پیشرفته
حدود ده سال پیش، او به همراه همکارانش از ایالات متحده، Forschungszentrum Jülich و Ruhr-Universität Bochum، برای اولین بار موفق به شبیه سازی این ایالت هویل شد.
او توضیح می‌دهد: «ما قبلاً ایده‌ای داشتیم که پروتون‌ها و نوترون‌های هسته کربن چگونه در این حالت قرار گرفته‌اند.
با این حال، ما نتوانستیم با قطعیت ثابت کنیم که این فرض درست است.
اکنون محققان با کمک یک روش پیشرفته موفق شده اند. این اساساً بر اساس محصور شدن است: در واقعیت، پروتون‌ها و نوترون‌ها – نوکلئون‌ها – می‌توانند در هر نقطه از فضا قرار گیرند.
با این حال، تیم برای محاسبات خود این آزادی را محدود کرد: مایسنر توضیح می‌دهد: «ما ذرات هسته‌ای خود را بر روی گره‌های یک شبکه سه‌بعدی مرتب کردیم.
بنابراین ما فقط به آنها اجازه دادیم که مواضع کاملاً مشخصی داشته باشند.»
زمان محاسبه: پنج میلیون ساعت پردازنده
به لطف این محدودیت، امکان محاسبه حرکت نوکلئون ها وجود داشت.
از آنجایی که ذرات هسته ای بسته به فاصله آنها از یکدیگر تأثیر متفاوتی بر یکدیگر دارند، این کار بسیار پیچیده است.
محققان همچنین چندین میلیون بار شبیه سازی خود را با شرایط شروع کمی متفاوت اجرا کردند.
این به آنها اجازه داد تا ببینند پروتون ها و نوترون ها به احتمال زیاد کجا هستند.
مایسنر می گوید: «ما این محاسبات را برای تمام حالات انرژی شناخته شده هسته کربن انجام دادیم.
محاسبات در ابرکامپیوتر JEWELS در Forschungszentrum Jülich انجام شد.
آنها در مجموع به حدود پنج میلیون ساعت پردازنده نیاز داشتند و هزاران پردازنده به طور همزمان کار می کردند.
افشای ساختار هسته
نتایج به طور موثر تصاویری از هسته کربن ارائه می کنند.
آنها ثابت می کنند که ذرات هسته ای مستقل از یکدیگر وجود ندارند.
این فیزیکدان توضیح می دهد: “در عوض، آنها در گروه های دو نوترون و هر کدام دو پروتون جمع می شوند.”
این بدان معنی است که سه هسته هلیوم پس از ترکیب شدن و تشکیل هسته کربن همچنان قابل شناسایی هستند.
بسته به حالت انرژی، آنها در شکل‌های فضایی مختلفی وجود دارند – یا به صورت مثلث متساوی الساقین چیده شده‌اند یا مانند یک بازوی کمی خم شده، با شانه، مفصل آرنج و مچ دست که هر کدام توسط یک خوشه اشغال شده‌اند.
مفاهیم گسترده تر برای فیزیک هسته ای
این مطالعه نه تنها به محققان اجازه می دهد تا فیزیک هسته کربن را بهتر درک کنند.
مایسنر: «روش‌هایی که ما توسعه داده‌ایم به راحتی می‌توانند برای شبیه‌سازی هسته‌های دیگر استفاده شوند و مطمئناً به بینش‌های کاملاً جدیدی منجر خواهند شد.»
