Å avsløre universets mysterier under huden på en atomkjerne

Massive nøytronstjerner som kolliderer i verdensrommet antas å kunne lage edle metaller som gull og platina. Egenskapene til disse stjernene er fortsatt en gåte, men svaret kan ligge under huden på en av de minste byggesteinene på jorden – en atomkjerne av bly. Å få atomkjernen til å avsløre hemmelighetene til den sterke kraften som styrer det indre av nøytronstjerner har vist seg vanskelig. Nå kan en ny datamodell fra Chalmers tekniska högskola, Sverige, gi svar.

I en nylig publisert artikkel i tidsskriftet Naturfysikkpresenterer Chalmers-forskere et gjennombrudd i beregningen av atomkjernen av det tunge og stabile elementblyet.

Den sterke kraften spiller hovedrollen

Til tross for den enorme størrelsesforskjellen mellom en mikroskopisk atomkjerne og en flere kilometer stor nøytronstjerne, er det stort sett den samme fysikken som styrer egenskapene deres. Fellesnevneren er den sterke kraften som holder partiklene – protonene og nøytronene – sammen i en atomkjerne.

Den samme kraften hindrer også en nøytronstjerne fra å kollapse. Den sterke kraften er grunnleggende i universet, men den er vanskelig å inkludere i beregningsmodeller, ikke minst når det gjelder tunge nøytronrike atomkjerner som bly. Derfor har forskerne slitt med mange ubesvarte spørsmål i sine utfordrende beregninger.

En pålitelig måte å gjøre beregninger på

“For å forstå hvordan den sterke kraften virker i nøytronrik materie, trenger vi meningsfulle sammenligninger mellom teori og eksperiment. I tillegg til observasjonene som er gjort i laboratorier og med teleskoper, trengs det derfor også pålitelige teoretiske simuleringer. Vårt gjennombrudd betyr at vi har vært i stand til å utføre slike beregninger for det tyngste stabile elementet—bly», sier Andreas Ekström, førsteamanuensis ved Institutt for fysikk på Chalmers og en av hovedforfatterne av artikkelen.

Den nye datamodellen fra Chalmers, utviklet sammen med kolleger i Nord-Amerika og England, viser nå veien videre. Den muliggjør høypresisjonsprediksjoner av egenskaper for isotopen bly-208 og dens såkalte “nøytronhud”.

Tykkelsen på huden har betydning

Det er de 126 nøytronene i atomkjernen som danner en ytre konvolutt, som kan beskrives som en hud. Hvor tykk huden er, er knyttet til egenskapene til den sterke kraften. Ved å forutsi tykkelsen på nøytronhuden kan kunnskapen øke om hvordan den sterke kraften virker – både i atomkjerner og i nøytronstjerner.

“Vi spår at nøytronet hud er overraskende tynn, noe som kan gi ny innsikt i kraften mellom nøytronene. Et banebrytende aspekt ved modellen vår er at den ikke bare gir spådommer, men også har evnen til å vurdere teoretiske feilmarginer. Dette er avgjørende for å kunne gjøre vitenskapelige fremskritt, sier forskningsleder Christian Forssén, professor ved Institutt for fysikk på Chalmers.

Modell brukt for spredning av koronaviruset

For å utvikle den nye beregningsmodellen har forskerne kombinert teorier med eksisterende data fra eksperimentelle studier. De komplekse beregningene er så kombinert med en statistisk metode som tidligere ble brukt for å simulere mulig spredning av koronaviruset.

Med den nye modellen for bly er det nå mulig å vurdere ulike antakelser om den sterke kraften. Modellen gjør det også mulig å gjøre spådommer for andre atomkjerner, fra de letteste til de tyngste.

Gjennombruddet kan føre til mye mer presise modeller av for eksempel nøytronstjerner og økt kunnskap om hvordan disse dannes.

“Målet for oss er å få en større forståelse av hvordan sterk kraft oppfører seg i både nøytronstjerner og atomkjerner. Det tar forskningen et skritt nærmere å forstå hvordan for eksempel gull og andre elementer kan skapes i nøytron stjerner – og til syvende og sist handler det om å forstå universet, sier Christian Forssén.

---

---