Wissenschaftler lösen eine lange diskutierte Anomalie in der Rotation von Atomkernen

Atomkerne haben unterschiedliche Formen, von fußballartig („prolat“) bis pfannkuchenartig („abgeflacht“). Prolatierte und abgeflachtere Formen haben unterschiedliche Trägheitsmomente. Dies ist der Widerstand eines Körpers gegen eine Änderung seiner Rotationsgeschwindigkeit durch eine äußere Kraft. Atomkerne haben unterschiedliche Formen mit unterschiedlichen Trägheitsmomenten, was bedeutet, dass zum Drehen verschiedener Kerne unterschiedliche Energiemengen erforderlich sind.

In früheren Untersuchungen ergaben Messungen, dass sich bei schnellen Rotationen, beispielsweise in Kernen wie Neon-20 oder Chrom-48, die Energie für die Rotation unerwartet ändert. Wissenschaftler führten dies auf einen anomalen Anstieg des Trägheitsmoments bei schnellen Rotationen zurück, der wahrscheinlich auf eine Ausbeulung der Kernmaterie zurückzuführen ist. Frühere Modelle gingen davon aus, dass schnell rotierende Kerne letztlich zu Kugeln werden, neuere Modelle haben jedoch deformierte Formen gefunden. Nun haben groß angelegte Simulationen von Atomkernen überraschende neue Erklärungen für die schwer fassbare Physik schnell rotierender Kerne geliefert.

Zum ersten Mal seit fast 50 Jahren haben Wissenschaftler das Trägheitsmoment genau berechnet und seinen hypothetischen anomalen Anstieg durch modernste Kernsimulationen untersucht. Die Simulationen für Neon-20 reproduzieren die Energiemessungen. Bemerkenswerterweise finden die Simulationen jedoch nicht den anomalen Anstieg. Stattdessen enthüllen sie eine Veränderung im Inneren des Kerns.

Ähnliche mikroskopische Simulationen für Chrom-48 bestätigen dieses überraschende Ergebnis. Darüber hinaus beantworten die Ergebnisse die seit langem bestehende Frage, ob ein gestreckter Kern, der sich schnell zu drehen beginnt, kugelförmig oder abgeflacht wird. Diese Forschung, veröffentlicht In Körperliche Überprüfung Czeigt, dass mehrere miteinander konkurrierende Formen entstehen, einige davon länglich, andere abgeflacht, die im Durchschnitt kugelförmig erscheinen.

Ein Student des Programms „Research Experiences for Undergraduates“ der Louisiana State University (LSU) hat zusammen mit Wissenschaftlern der LSU, der San Diego State University und der Tschechischen Akademie der Wissenschaften den Formgehalt von Neon-20 mithilfe einer neu entwickelten, auf Grundprinzipien basierenden, symmetrieangepassten No-Core-Shell-Modelltheorie genau untersucht.

Dieses Modell beschreibt auf natürliche Weise die Deformation und Cluster-Substrukturen von Atomkernen. Das Modell erreicht Lösungen, die sonst nicht möglich wären, indem es Bausteine ​​baut, die eine nahezu perfekte Symmetrie innerhalb der Kerne aufweisen. Diese hochmodernen Kernsimulationen enthüllen eine komplexe Quantenüberlagerung von Formen. Dies widerlegt eine 50 Jahre alte, auf Analogien zu klassischen rotierenden Objekten beruhende Behauptung, dass zunehmende Rotationen zu einer Erhöhung des nuklearen Trägheitsmoments führen.

Bei leichten Atomkernen ist Neon-20 (mit 10 Protonen und 10 Neutronen) das klassische Beispiel für die angenommene Zunahme des Trägheitsmoments. In den neuen „symmetrieangepassten“ Berechnungen ändern sich das Trägheitsmoment und die Form und intrinsische Struktur des Kerns (siehe Bild c in der Abbildung oben) kaum. Stattdessen ändert sich die Energie durch die Vermischung mit einem nahegelegenen Kernzustand, der die Teilchenspins ausrichtet und die Formen kombiniert.

Ähnliche Berechnungen für Chrom-48 bestätigen einen schnell rotierenden Atomkern, der in Übereinstimmung mit einigen Modellen nahezu kugelförmig erscheint. Dieses Modell kommt zu dem Ergebnis, dass diese Kugelform ein Durchschnitt aus einer nahezu gleichmäßigen Mischung von gestreckten und abgeflachten Formen ist (siehe Bild b in der Abbildung oben). Dies stellt einen neuen Einblick in die Physik schnell rotierender Atomkerne dar.