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    Físicos resolvem um quebra-cabeça de decadência beta com modelos nucleares avançados

    Cálculos de primeiros princípios mostraram que fortes correlações e interações entre dois nucleons diminuem o decaimento beta em núcleos atômicos em comparação com o que é esperado do decaimento beta de nêutrons livres. Isso impacta a síntese de elementos pesados ​​e a busca pelo decaimento beta duplo sem neutrino. Crédito:Andy Sproles / ORNL

    Uma colaboração internacional incluindo cientistas do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) resolveu um quebra-cabeça de 50 anos que explica por que decaimentos beta de núcleos atômicos são mais lentos do que o esperado com base nos decaimentos beta de nêutrons livres .

    As evidências, publicado em Física da Natureza , preencher uma lacuna de longa data na compreensão dos físicos sobre o decaimento beta, um importante processo que as estrelas usam para criar elementos mais pesados, e enfatizar a necessidade de incluir efeitos sutis - ou física mais realista - ao prever certos processos nucleares.

    "Por décadas, os cientistas carecem de uma compreensão dos primeiros princípios da decadência beta nuclear, em que prótons se convertem em nêutrons, ou vice-versa, para formar outros elementos, "disse o cientista da equipe do ORNL Gaute Hagen, quem conduziu o estudo. "Nossa equipe demonstrou que os modelos teóricos e a computação progrediram até o ponto em que é possível calcular algumas propriedades de decaimento com precisão suficiente para permitir uma comparação direta com o experimento."

    Para resolver o problema, a equipe simulou a decomposição do estanho-100 em índio-100, um elemento vizinho na tabela periódica. Os dois elementos compartilham o mesmo número de núcleons (prótons e nêutrons), com estanho-100 possuindo 50 prótons para o índio-100 49.

    O cálculo preciso do decaimento beta exigia que a equipe não apenas simulasse com precisão a estrutura dos núcleos da mãe e da filha, mas também levasse em conta as interações entre dois núcleos durante a transição. Este tratamento adicional apresentou um desafio computacional extremo devido à combinação de fortes correlações nucleares e interações envolvendo o núcleo em decadência.

    No passado, os físicos nucleares resolveram esse problema inserindo uma constante fundamental para reconciliar as taxas de decaimento beta observadas de nêutrons dentro e fora do núcleo, uma prática conhecida como "extinção". Mas com máquinas como o supercomputador Titan de ORNL, A equipe de Hagen demonstrou que essa muleta matemática não é mais necessária.

    "Ninguém realmente entendeu por que esse fator de têmpera funcionou. Simplesmente funcionou, "disse o cientista computacional do ORNL Gustav Jansen." Descobrimos que isso poderia ser amplamente explicado pela inclusão de dois núcleos no decaimento - por exemplo, dois prótons decaindo em um próton e um nêutron, ou um próton e um nêutron decaindo em dois nêutrons. "

    O time, que incluiu parceiros do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, Universidade do Tennessee, Universidade de Washington, TRIUMF (Canadá), e a Universidade Técnica de Darmstadt (Alemanha), realizaram um estudo abrangente de decaimentos beta de núcleos leves a médios pesados ​​até estanho-100.

    A conquista dá aos físicos nucleares mais confiança enquanto buscam respostas para alguns dos mistérios mais desconcertantes relacionados à formação da matéria no universo. Além do decaimento beta regular, os cientistas estão procurando calcular o decaimento beta duplo sem neutrinos, uma forma teorizada de decadência nuclear que, se observado, iria explorar novas físicas importantes e ajudar a determinar a massa do neutrino.

    Tin to In

    Muitos elementos possuem isótopos que decaem ao longo de longos períodos de tempo. Por exemplo, a meia-vida do carbono-14, o núcleo usado na datação por carbono, é 5, 730 anos. Outros núcleos, Contudo, existem apenas por frações de segundo antes de ejetar as partículas na tentativa de estabilizar.

    No decaimento beta de nêutrons, um elétron e um anti-neutrino são emitidos. Quando o estanho-100 se transforma em índio-100, o núcleo sofre decadência beta-plus, expelindo um pósitron e um neutrino ao converter um próton em um nêutron.

    Com seu número igual de prótons e nêutrons, tin-100 exibe uma taxa excepcionalmente alta de decaimento beta, dando à equipe ORNL um forte sinal para verificar seus resultados. Além disso, o núcleo de estanho-100 é "duplamente mágico, "o que significa que os núcleos preenchem conchas definidas dentro do núcleo que o tornam fortemente vinculado e relativamente simples na estrutura. O código NUCCOR da equipe ORNL, que é programado para resolver o problema nuclear de muitos corpos, destaca-se na descrição de núcleos duplamente mágicos para cima e para baixo no mapa nuclear.

    "Um núcleo duplamente mágico como o estanho-100 não é tão complicado quanto muitos outros núcleos, "disse Thomas Papenbrock, um pesquisador da Universidade do Tennessee e ORNL. "Isso significa que podemos computá-lo de forma confiável usando nosso método de cluster acoplado, que calcula as propriedades de grandes núcleos levando em consideração as forças entre os núcleons individuais. "

    Para modelar a decadência beta, Contudo, a equipe também teve que calcular a estrutura do índio-100, um núcleo mais complexo do que o duplamente mágico tin-100. Isso exigia um tratamento mais preciso das fortes correlações entre os núcleons. Ao tomar emprestadas ideias da química quântica, que trata os elétrons como ondas, A equipe de Hagen desenvolveu com sucesso técnicas para modelar esses processos.

    "No nosso caso, estamos lidando com núcleons em vez de elétrons, mas os conceitos da química quântica nos ajudaram a ramificar a partir de núcleos duplamente mágicos e expandir para essas regiões de casca aberta, "disse o físico do ORNL Titus Morris.

    Experiência de orientação

    Agora que a equipe de Hagen mostrou que seu entendimento do decaimento beta está no mesmo nível do experimento, está procurando tirar proveito de novos supercomputadores como o Summit do ORNL, o mais poderoso do mundo, para guiar experimentos atuais e futuros.

    Os pesquisadores estão usando a Summit para simular como o cálcio-48, outro núcleo duplamente mágico, sofreria decaimento beta duplo sem neutrinos - um processo no qual dois beta de nêutrons decaiam em prótons, mas sem emitir neutrinos. Os resultados podem ajudar os experimentalistas na seleção de um material detector ideal para a descoberta potencial deste fenômeno raro.

    "Atualmente, cálculos usando diferentes modelos nucleares de decaimento beta duplo sem neutrinos podem diferir em até um fator de seis, "Hagen disse." Nosso objetivo é fornecer uma referência para outros modelos e teorias. "

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