Nickel-78は「二重魔法」同位体であり、スーパーコンピューティングの計算が確認されている

Anonim

私たちの多くにとって、「二重の魔法」という言葉はPenn&Tellerのイメージを呼び起こすかもしれません。 しかし、原子核物理学者にとっては、陽子と中性子の両方が完全に占有されているシェルを持つことで、近隣の原子核よりも安定性の高い原子核が記述されています。 エネルギー省のオークリッジ国立研究所の理論物理学者は、最近、28の陽子と50の中性子からなるニッケル78の核構造を計算するために、米国の最も強力なスーパーコンピューターであるタイタンを用い、この中性子に富んだ核が実際には2倍の魔法。 Journal Physical Review Letters に掲載された結果は、安定物質の起源、組織、相互作用の理解を向上させるかもしれない。

Gustav JansenとThomas Papenbrockの研究を行った理論物理学者のGaute Hagenは次のように述べています。「Titanについての第一原理計算を使用して、ニッケル78の非常にエキゾチックな核が二重に魔法であることを確認しました。 DOE Office of Scienceはこの研究を支援した。

「二重魔法」という用語は、ORNLになったマンハッタン・プロジェクト時代施設の元研究開発ディレクターであるEugene Wignerによって造られたと考えられています。 2, 8, 20, 28, 50, 82、および126を含むマジックナンバーでは、プロトンまたは中性子のいずれかが原子核の完全な殻を埋める。 陽子の殻と中性子の殻は互いに独立しています。 陽子の数と中性子の数が両方とも魔法の場合、核は「二重魔法」と言われている。

「結合エネルギー、すなわち陽子または中性子のいずれかを取り除くために必要なエネルギーは、その隣人と比べて二重の魔法の核の方が大きい」とHagen氏は説明する。 核図には、化学的には同じであるが中性子の数が物理的に異なる原子要素が、安定した長寿命の核を構成する「安定の谷」の近くに存在することが示されている。 例は、ヘリウム-4、酸素-16、カルシウム-40、カルシウム-48および鉛-208である。

この谷から離れると、核結合を失うことなく中性子を加えることができる「中性子ドリップライン」と呼ばれるフロンティアがあります。 「核に別の中性子を加えると、核だけが崩壊するか、中性子が核から脱落する」とハーゲン氏は述べた。 「これは核図の境界線を定義している。核図は存在し、強い力に縛られているすべての核を含んでいる」

ORNLチームの研究は、次のような質問に取り組んでいます。核が崩壊する前にどれくらいの数の中性子を核に加えることができますか? 安定した核はどれくらいあるの? どのように軽い原子核が中性子を捕獲して星に重い元素を作り出すか

「この重い核を使って、基本的な自由度であるプロトンと中性子を強く相互作用させ、それらの間の相互作用を説明している」とハーゲン氏は説明する。 「この多体量子力学的問題を数値的に解くことは、非常にコストがかかります。紙でそれを解くことはできません。スーパーコンピュータが必要です。

ニッケル78の魔法の基盤を解明するために、チームメンバーはオークリッジリーダーシップコンピューティング施設(ORNLの科学ユーザー施設DOEオフィス)でTitan Cray XK7コンピューティングシステムに目を向ける。 彼らは、原子構造コードNUCCOR(Oak RidgeのNuclear Coupled Cluster)を、理論と実験のプログラムに革新的かつ新鮮なインパクトを与えて約500万セント処理した。 Hagenは、OLCFの加速化アプリケーション対応センターを通じて、ますます強力なスーパーコンピュータでより大きな核をより効率的に計算するためにNUCCORで使用されるアルゴリズムを改善する作業を進めています。

「これは、第一原理からのニッケル78とその近隣構造の最初の現実的な計算である」とハーゲン氏は述べる。 核は多くのエネルギー構成を有する。 彼らのシミュレーションでは、ORNLの物理学者は、ニッケル-78と隣接するニッケル-80の最初の励起状態を計算しました。 日本の理研の実験者は、この状態を最近測定しており、ORNL理論予測とそれらのデータを比較するのは興味深いことです。 ORNL計算は、カルシウム-48の正確に知られている類似の状態との相関からニッケル-78におけるこの状態を予測する。 ハーゲン氏によると、ニッケル78の「魔法の兆し」が明らかになった。

「我々の予測では、ニッケル-78に1つまたは2つの中性子を加えることができ、核は依然として束縛されていると言われています。 「これも重要な発見でした」

次に、科学者たちは、スズ-100やその隣人など、より重く安定した核を探索する予定です。 スズ-100はプロトンドリップラインのすぐ右に位置しているので、別のプロトンを加えることで核が崩壊する。 「これらは我々が計算できる核のすべての興味深い特徴である」とHagen氏は述べた。

Physical Review Lettersの 論文のタイトルは、「First Principles Computationからの78Niの構造」です。

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