Hiểu về các hạt tích điện giúp mô phỏng sự tạo thành nguyên tố trên các ngôi sao

Nghiên cứu mới của trường đại học Bắc Carolina và đại học Michigan đã mở ra một đại lộ mới cho việc mô hình hóa các phản ứng hạt nhân năng lượng thấp, vốn là yếu tố chính cho sự hình thành các nguyên tố trên các ngôi sao. Nghiên cứu này đặt nền móng cho việc tính toán cách các nucleon tương tác khi các hạt tích điện.

Công trình này được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters 1.

Dự đoán về cách các hạt nhân nguyên tử – các cụm gồm những proton và neutron, chúng đều là các hạt nucleon – kết hợp để hình thành hạt nhân có thành phần lớn hơn là một bước quan trọng hướng tới việc hiểu cách các nguyên tố được hình thành trong những ngôi sao 2.

Kể từ khi các tương tác hạt nhân có liên quan đóng vai trò vô cùng thiết yếu để đo đạc về mặt thực nghiệm, các nhà vật lý thường sử dụng các tinh thể số để mô phỏng các hệ này. Mạng tinh thể hữu hạn này được sử dụng trong nhiều mô phỏng số đóng vai trò như một hộp tưởng tượng quanh một nhóm các nucleon cho phép các nhà vật lý tính toán các đặc tính của một hạt nhân được hình thành từ các hạt đó.

Nhưng rất nhiều mô phỏng còn thiếu khả năng dự đoán đặc trưng chi phối các phản ứng năng lượng thấp bao gồm các cụm tích điện nảy sinh từ các proton. Trong khi đó, điều này lại quan trọng bởi vì các phản ứng năng lượng thấp là điều sống còn với sự hình thành nguyên tố trong các ngôi sao, bên cạnh những điều khác.

“Trong khi ‘lực hạt nhân mạnh’ liên kết các proton và neutron lại với nhau trong hạt nhân nguyên tử, lực đẩy điện trường giữa các proton đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ cấu trúc và động lực của hạt nhân”, theo nhận xét của Sebastian König, trợ lý giáo sư vật lý tại NC State và là tác giả liên hệ của nghiên cứu.

“Lực này mạnh ở các mức năng lượng thấp nhất, nơi nhiều quá trình quan trọng diễn ra để tổng hợp các nguyên tố tạo thành thế giới mà chúng ta biết”, König nói. “Nhưng thật thách thức để có được lý thuyết dự đoán về các phản ứng đó”.

Vì vậy, König và cộng sự đã quyết định chọn một cách tiếp cận là xem xét kết quả cuối cùng của các phản ứng bên trong một mạng tinh thể – các hạt nhân đã được hình thành – và sau đó dò ngược trở lại để khám phá các đặc trưng và các mức năng lượng tham gia vào phản ứng đó.

“Chúng tôi không chỉ tính toán các phản ứng mà còn tìm kiếm cấu trúc của sản phẩm cuối cùng”, König nói. “Vì chúng tôi thay đổi kích thước của ‘hộp’, các mô phỏng và kết quả sẽ thay đổi. Từ chính thông tin đó, trên thực tế chúng tôi có thể lấy được các tham số quyết định cái gì diễn ra khi các hạt tích điện tương tác với nhau”.

“Việc tìm nguồn gốc của công thức này là thách thức không ngờ”, Hang Yu, một học viên cao học tại NC State và là tác giả thứ nhất của công trình nghiên cứu, nói, “nhưng kết quả cuối cùng vô cùng tuyệt đẹp và có những ứng dụng quan trọng”.

Từ thông tin đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển một công thức và thử nghiệm nó với các tính toán chuẩn, vốn là đánh giá được thực hiện bằng các phương pháp truyền thống, để đảm bảo các kết quả chính xác và sẵn sàng cho sử dụng với các ứng dụng trong tương lai.

“Đây là công trình mang tính nền tảng có thể nói với chúng ta cách phân tích một mô phỏng được dùng để tách dữ liệu cần thiết, qua đó cải thiện các dự đoán về các phản ứng hạt nhân”, König nói. “Vũ trụ này vô cùng rộng lớn nhưng để hiểu biết về nó, anh phải nhìn vào những hợp phần nhỏ nhất của nó. Đó là những gì chúng tôi đang làm tại đây – tập trung vào những chi tiết vô cùng nhỏ để có thông tin tốt hơn cho phân tích về bức tranh rộng lớn hơn của chúng ta”.

Học viên cao học NC State Hang Yu là tác giả đầu của nghiên cứu. Dean Lee, giáo sư Khoa vật lý và khoa học lý thuyết hạt nhân, người đứng đầu Cơ sở thực nghiệm Các chùm tia đồng vị hiếm tại đại học Michigan, là đồng tác giả nghiên cứu.

Thanh Đức tổng hợp

Nguồn: https://www.techexplorist.com/modeling-formation-elements-stars/77782/

https://phys.org/news/2023-11-particles-physicists-simulate-element-creation.html

——————————————

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.212502

2. https://tiasang.com.vn/doi-moi-sang-tao/tai-sao-neutrons-va-protons-bi-bien-doi-ben-trong-hat-nhan-15236/

Tác giả