Supercomputer-Simulationen liefern neue Einblicke in die umstrittene kernmagnetische Anregung von Kalzium-48

Der leistungsstärkste Supercomputer der Welt trägt dazu bei, widersprüchliche Forschungsergebnisse zu klären, die Wissenschaftler seit mehr als einem Jahrzehnt vor Rätsel stellen, und könnte damit auch neues Licht auf das Innere kollabierender Sterne werfen.

Kernphysiker des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben kürzlich mit Frontier, dem leistungsstärksten Supercomputer der Welt, die magnetischen Eigenschaften des Atomkerns von Calcium-48 berechnet. Ihre Ergebnisse veröffentlicht im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfungwird nicht nur zu einem besseren Verständnis der Manifestation von Magnetismus in anderen Kernen beitragen, sondern auch dazu beitragen, eine jahrzehntealte Meinungsverschiedenheit zwischen Experimenten aufzulösen, die zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen über das magnetische Verhalten von Calcium-48 kamen. Darüber hinaus könnte die Forschung neue Einblicke in die subatomaren Wechselwirkungen liefern, die in Supernovas stattfinden.

„Der Calcium-48-Atomkern hat einen angeregten Zustand, der schnell zerfällt, weil er starke magnetische Wechselwirkungen und eine der höchsten Übergangsstärken aufweist“, sagte Gaute Hagen, Computerphysiker am ORNL. „Wir sind sehr an den Regeln interessiert, nach denen Atomkerne entstehen. Die Simulation der fundamentalen Kräfte im Inneren von Calcium-48 wird uns helfen, seine Entstehung besser zu verstehen und uns vielleicht auch Einblicke in die Existenz anderer Atomkerne geben.“

Calcium-48 ist ein wichtiges Isotop für die wissenschaftliche Forschung. Sein Kern besteht aus 20 Protonen und 28 Neutronen – eine Kombination, die Wissenschaftler als „doppelt magisch“ bezeichnen. Magische Zahlen wie 20 und 28 sind bestimmte Zahlen von Protonen oder Neutronen, die für Stabilität sorgen, indem sie eine vollständige Hülle innerhalb des Kerns bilden.

Die starke Bindung und einfache Struktur von Calcium-48 machen es auch zu einem interessanten Testobjekt für die Untersuchung der starken und schwachen Kernkräfte, die Teilchen zusammenhalten oder auseinanderbrechen.

Wie beim Umlegen eines Lichtschalters wird der Kern durch die Streuung von Elektronen oder Photonen an Calcium-48 angeregt und angeregt, wodurch er magnetisch wird und umkippt. Diese Aktion, die als magnetischer Dipolübergang bezeichnet wird, wird vom Spin-Flip eines einzelnen Neutrons dominiert.

Was genau in diesem Moment passiert, versuchen Hagen und seine Kollegen zu verstehen – eine Frage, die der wissenschaftlichen Gemeinschaft seit mehr als einem Jahrzehnt Kopfzerbrechen bereitet.

Der jahrzehntelange Dissens

Anfang der 1980er Jahre untersuchten Wissenschaftler den magnetischen Dipolübergang von Calcium-48, indem sie das Isotop mit verschiedenen Strahlen aus Protonen und Elektronen bombardierten. Die Strahlen versetzten den Atomkern mit etwa 10 Megaelektronenvolt (MeV) – gerade genug, um eine magnetische Signatur zu erzeugen.

Sie ermittelten, dass die Stärke des magnetischen Übergangs 4 Kernmagnetonen im Quadrat beträgt. Magnetonen sind Maßeinheiten, die in der Kernphysik verwendet werden, um das magnetische Verhalten eines Kerns zu beschreiben.

Doch 2011, fast drei Jahrzehnte später, erhielten Forscher deutlich andere Ergebnisse, nachdem sie das Isotop mit Gammastrahlen untersucht und den Atomkern auf das gleiche Energieniveau gebracht hatten. Sie maßen eine magnetische Übergangsstärke, die fast doppelt so stark war wie alles, was zuvor aufgezeichnet wurde.

„Als Kernphysiker berechnen wir Kerne von Grund auf auf der Grundlage modernster theoretischer Modelle der Kernkräfte“, sagte Co-Forscher Thomas Papenbrock, ORNL-Physiker und gemeinsamer Fakultätsangehöriger an der University of Tennessee in Knoxville. „Die Diskrepanzen zwischen den verschiedenen Experimenten motivierten uns, herauszufinden, welches Ergebnis wir erhalten würden, wenn wir diese theoretischen Modelle zur Untersuchung des magnetischen Übergangs verwenden würden.“

Grenzen entfesseln

Der Frontier-Supercomputer – verwaltet von der Oak Ridge Leadership Computing Facility, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am ORNL – ist die weltweit erste Exascale-Maschine und kann mehr als eine Trillion oder eine Milliarde Berechnungen pro Sekunde durchführen. Die unglaubliche Rechenleistung des Systems ermöglichte es Hagens Team, Simulationen mit bemerkenswerter Effizienz und Präzision durchzuführen.

Das Team verwendete ein Modell namens chirale effektive Feldtheorie, um nukleare Phänomene mit der grundlegenden Theorie der starken Kernkraft – der Theorie der Quantenchromodynamik – zu verbinden. Sie verwendeten eine leistungsstarke numerische Methode namens Coupled-Cluster-Methode, um die Eigenschaften des Calcium-48-Kerns zu berechnen. Der Ansatz bietet einen Kompromiss zwischen hoher Präzision und Detailliertheit und Rechenaufwand und ist damit eine ideale Aufgabe für Frontier.

Die Simulationen zeigten, dass die magnetische Übergangsstärke von Calcium-48 mit den Ergebnissen der Gammastrahlenexperimente übereinstimmte.

Doch es ging ihnen nicht nur darum, Licht auf den magnetischen Dipolübergang zu werfen. Sie untersuchten auch andere Faktoren wie sogenannte Kontinuumseffekte, die beschreiben, wie der Atomkern mit seiner Umgebung interagiert. Darüber hinaus untersuchten sie, wie Nukleonenpaare – die Teilchen, die sich im Atomkern befinden – während des Übergangs im Inneren des Atomkerns interagieren und wie sie zu den elektromagnetischen Gesamteigenschaften beitragen.

Die Simulationen zeigten, dass Kontinuumseffekte die magnetische Übergangsstärke um etwa 10 % reduzierten. Und entgegen der bisher vorherrschenden Meinung, dass Nukleonenpaar-Wechselwirkungen die magnetische Übergangsstärke deutlich unterdrücken oder abschwächen, zeigten die Simulationen, dass diese Effekte in einigen Fällen die magnetische Übergangsstärke leicht erhöhten.

„Hoffentlich inspiriert dies die Experimentatoren dazu, ihren Ansatz zu überprüfen und wichtige Anpassungen vorzunehmen. Oder vielleicht erfahren wir mit der Zeit, dass die niedrigeren Werte, die in den Experimenten der 1980er Jahre aufgezeichnet wurden, tatsächlich richtig waren“, sagte Hagen. „Das würde bedeuten, dass die von uns verwendete Theorie unvollständig ist, was in vielerlei Hinsicht ebenfalls ein Schock wäre. Aber so oder so werden wir daraus eine Menge lernen.“

„Wir erwarten, dass die Berechnungen neue Diskussionen zwischen Theoretikern und Experimentalphysikern anregen werden“, fügte Papenbrock hinzu. „Damit liegt der Ball jetzt wieder bei den Experimentalphysikern.“

Von subatomar bis astronomisch

Bijaya Acharya, der Erstautor der Studie, ist Postdoktorand in der Gruppe für theoretische und computergestützte Physik des ORNL. Eine von Acharyas Hauptaufgaben war die Entwicklung der Algorithmen, mit denen das Team viele der Quanteneffekte höherer Ordnung in den Simulationen untersuchen konnte. Er ist spezialisiert auf die Untersuchung von Neutrinos – winzigen Teilchen, die von explodierenden Sternen erzeugt werden und mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum reisen. Neutrinos werden durch Kernfusionsreaktionen im Kern der Sonne erzeugt und auch von Kernreaktoren auf der Erde produziert.

„Wir sehen eine Fülle von Kalzium-48 tief im Inneren des Kerns einer kollabierenden Supernova, wo es auch eine große Neutrinobelastung gibt“, sagte Acharya. „Die Physik, die die magnetische Übergangsstärke in Kalzium-48 beschreibt, beschreibt auch, wie Neutrinos mit Materie interagieren.“

„Das lässt darauf schließen, dass größere Übergangsstärken auch bedeuten, dass Neutrinos eher mit Materie interagieren. Wenn also der Wert der magnetischen Übergangsstärke größer ist als bisher angenommen, bedeutet das, dass auch die Wiedererhitzung und andere Faktoren, die mit Neutrino-Wechselwirkungen bei Supernova-Explosionen verbunden sind, größer wären, und umgekehrt bei kleineren Werten. Und das würde natürlich unser Verständnis dieser enorm großen Systeme stark beeinflussen.“

Sterne sind wie Alchemisten, erklärte der ORNL-Kernastrophysiker und Gruppenleiter Raphael Hix. Der von Supernovas ausgestoßene Sternenstaub enthält eine Vielzahl neu entstandener Kerne, darunter in einigen Fällen auch Kalzium-48, und diese neuen schweren Elemente legen den Grundstein für die Entstehung neuer Generationen von Sternen und Planeten.

„Man kann nicht verstehen, wie Mutter Natur das in einem Stern macht, wenn man nicht die Regeln versteht, nach denen sie die Kerne zusammensetzt. Darum geht es im Wesentlichen bei Hagens Berechnungen“, sagte Hix. „Und wie in der Alchemie wird jemand diese Berechnungen in interessante Reaktionsraten umwandeln, und diese Reaktionsraten werden dann in astrophysikalische Berechnungen umgewandelt, die uns helfen, das Universum besser zu verstehen.“