เรื่องนิวเคลียร์อยู่ใกล้กับช่วงการเปลี่ยนแปลงของควอนตัม• Igor Ivanov •ข่าววิทยาศาสตร์เรื่อง "Elements" •ฟิสิกส์

เรื่องนิวเคลียร์อยู่ใกล้กับจุดของการเปลี่ยนเฟสควอนตัม

มะเดื่อ 1 การเปลี่ยนเฟสควอนตัมในนิวเคลียสอะตอม: มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในกองกำลังนิวเคลียร์นิวเคลียสที่มีขนาดกะทัดรัด (ด้านซ้าย) คุณก็สามารถเปลี่ยนเป็นก๊าซของอนุภาคแอลกอฮอล์โต้ตอบอ่อนแอ (ด้านขวา) ตาข่ายเป็นสัญลักษณ์ของวิธีการคำนวณตัวเลขซึ่งใช้ในบทความล่าสุดเพื่อตรวจสอบว่าเรื่องนิวเคลียร์เป็นจริงใกล้เคียงกับจุดของการเปลี่ยนเฟสควอนตัม รูปจากบทความ D. J. Dean จุดชมวิว: การค้นพบการถ่ายโอนระยะควอนตัมในนิวเคลียส

การคำนวณเชิงตัวเลขของพลังงานที่มีผลผูกพันของนิวเคลียสหลาย ๆ8Be, 12C, 16O, 20Ne) พิสูจน์ได้อย่างน่าเชื่อถือว่ามีการเปลี่ยนเฟสควอนตัมในแผนภาพของแบบจำลองเรื่องนิวเคลียร์ ด้านหนึ่งของเขตแดนนี้เป็นนิวเคลียสที่มีขนาดกะทัดรัดตามปกติด้านอื่น ๆ นั่นคือแก๊สของอนุภาคอัลฟาไม่สามารถเกาะเป็นชิ้นแข็งตัวได้ นอกจากนี้การปรากฏตัวทั้งหมดสถานการณ์จริงอยู่ค่อนข้างใกล้เคียงกับจุดนี้ซึ่งจะเปิดโอกาสใหม่สำหรับการศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมของโครงสร้างของนิวเคลียสอะตอมของกลุ่มอัลฟ่า

งานหลักของฟิสิกส์นิวเคลียร์

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ไม่ได้อยู่ในแนวหน้าของวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐาน อย่างไรก็ตามมันยังคงเป็นเรื่องยากสำหรับการคำนวณและในเวลาเดียวกันเป็นพื้นที่ที่มีความสำคัญทางฟิสิกส์มีหลายพันไอโซโทปที่รู้จักกันอยู่แล้วและคำนึงถึงสถานะที่ตื่นเต้นของพวกเขาเป็นจำนวนหลายหมื่น ทุกคนมีบทบาทในการแปรรูปนิวเคลียร์ที่หลากหลายตั้งแต่การเผาไหม้เชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และจบลงด้วยการสังเคราะห์นิวเคลียสในจักรวาลต้น ทั้งหมดนี้ต้องสามารถนับได้อย่างถูกต้อง

ปัญหาหลักของฟิสิกส์นิวเคลียร์คือการคำนวณพลังงานที่มีผลผูกพันและโครงสร้างของชุดโปรตอนและนิวตรอนโดยพลการ กัมมันตภาพรังสีแล้วและทุกอย่างอื่นจะออกมาจากมัน งานคำนวณนี้มีความซับซ้อนมาก แม้ปฏิสัมพันธ์แบบคู่ของนิวเคลียสสองตัว (โปรตอนหรือนิวตรอน) ค่อนข้างจะเป็นสิ่งสะสมและปฏิสัมพันธ์หลาย nucleon จะทำให้งานนี้ซับซ้อนแม้แต่กับนิวเคลียสขนาดเล็ก ดังนั้นนักฟิสิกส์ต้องสร้างโมเดลเชิงบรรยายดึงดูดความคล้ายคลึงกันทางกายภาพหรือพยายามที่จะนับทุกอย่างอย่างสุจริตหัวแปะจากหลักการแรกด้วยการคำนวณเชิงตัวเลขที่ซับซ้อนมาก ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาได้มีการพัฒนาความก้าวหน้าอย่างมาก: ในกรอบของวิธีการต่างๆนักฟิสิกส์ได้เรียนรู้การคำนวณโครงสร้างและพลังงานของการมีเพศสัมพันธ์ของนิวเคลียสขนาดเล็กได้อย่างถูกต้อง (ดูบทความทบทวนเกี่ยวกับทฤษฎีโมเดิร์นของกองกำลังนิวเคลียร์)อย่างไรก็ตามแม้ว่าซุปเปอร์คอมพิวเตอร์จะให้หมายเลขแก่คุณ แต่ก็เป็นประโยชน์เสมอที่จะมีความเข้าใจอย่างชัดเจนเกี่ยวกับภาพทางกายภาพที่อยู่เบื้องหลังผลการค้นหานี้

ในบทความล่าสุดโดยนักทฤษฎีกลุ่มใหญ่เรื่องการผูกมัดด้วยนิวเคลียสใกล้การเปลี่ยนแปลงระยะควอนตัมซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร จดหมายวิจารณ์ทางกายภาพมีการบอกเล่าถึงผลการทดลองทางฟิสิกส์นิวเคลียร์ใหม่ ๆ ที่มีค่าสามารถพูดถึงรูปลักษณ์ใหม่ของการสื่อสารนิวเคลียร์ จากการศึกษาเชิงตัวเลขของนิวเคลียสอัลฟ่าเช่นนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอนเท่ากันจำนวนเท่ากันผู้เขียนจึงสรุปได้ว่า เรื่องนิวเคลียร์อยู่ใกล้กับเกณฑ์ของการเปลี่ยนแปลงระยะควอนตัม. ถ้ากฎของฟิสิกส์นิวเคลียร์แตกต่างเล็กน้อยจากความเป็นจริงและโลกของเราจะอยู่ไกลเกินกว่าเกณฑ์นี้ – ไม่มีนิวเคลียสที่หนักกว่าฮีเลียม นิวเคลียสหนักจะยุบตัวลงไปในชุดของอนุภาคแอลฟาและ nucleons แต่ละตัว ดังนั้นคุณจึงสามารถบอกได้อีกว่าโลกของเรามีองค์ประกอบทางเคมีที่ซับซ้อนและมีความสามารถในการสร้างชีวิตเป็นสิ่งที่โชคดีอย่างยิ่งกับกฎหมายทางกายภาพ

การเปลี่ยนเฟสควอนตัม

ก่อนที่เราจะพูดถึงงานตัวเองนั้นจำเป็นต้องอธิบายว่าอะไรคือการเปลี่ยนเฟสควอนตัม

เป็นที่รู้จักกันดีสำหรับทุกคนว่าสารชนิดเดียวกันขึ้นอยู่กับสภาวะแวดล้อมภายนอกสามารถอยู่ในสถานะรวมที่แตกต่างกันหรือน้อยกว่าได้อย่างแม่นยำมากขึ้นในขั้นตอนของอุณหพลศาสตร์ที่แตกต่างกันเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือความดันการเปลี่ยนเฟสเกิดขึ้น: สารจะเปลี่ยนจากระยะหนึ่งไปอีกขั้นหนึ่ง เราร้อนน้ำแข็ง – มันละลายเราให้ความร้อนน้ำ – มันเดือด ในกรณีนี้โมเลกุลยังคงเหมือนเดิมแรงจุลภาคของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกเขาไม่เปลี่ยน แต่เพียงวิธีที่ดีที่สุดขององค์กรของพวกเขาเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น แรงจูงใจในการดึงดูดความสนใจมีแนวโน้มที่จะปรับปรุงโครงสร้างของสสารการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนตรงกันข้ามความวุ่นวาย อาจกล่าวได้ว่าเป็นการต่อสู้ของขบวนการความร้อนกับแรงโน้มถ่วงที่ทำให้สารมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง

การเคลื่อนไหวความร้อนมี "พันธมิตร" ในการต่อสู้กับคำสั่งทั้งหมด – เหล่านี้เป็นความผันผวนของควอนตัมของอนุภาค ตามกลศาสตร์ควอนตัมมันเป็นไปไม่ได้ที่จะ จำกัด ขอบเขตของอนุภาค; มันมักจะมีอยู่ในรูปของเมฆแผ่ซ่านไปทั่วปริมาณ แม้ว่าอุณหภูมิจะลดลงเหลือศูนย์สัมบูรณ์การแช่แข็งความเคลื่อนไหวความร้อนทั้งหมดความผันผวนของควอนตัมจะยังคงอยู่และจะทำให้ระบบล่มสลาย

ซึ่งแตกต่างจากอุณหภูมิความผันผวนของควอนตัมไม่สามารถทำให้แข็งแรงขึ้นหรืออ่อนแอได้ แต่ในบางสถานการณ์คุณสามารถเปลี่ยนแรงของแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคได้ถ้าแรงดึงดูดอ่อนแอเกินไปความผันผวนของควอนตัมจะเอาชนะและสารจะกลายเป็นผอมหรือเป็นแก๊ส ถ้าแรงดึงดูดแข็งแรงพอจะช่วยให้ควอนตัมผันผวน "ในเช็ค" และมีโครงสร้างที่หนาแน่นของสสาร การเปลี่ยนแปลงแรงได้อย่างราบรื่นทำให้สามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงช่วงที่แท้จริงได้มากที่สุดจากรัฐหนึ่งไปยังอีกรัฐหนึ่ง แต่เฉพาะในอุณหภูมิที่ไม่สำคัญ; โดยทั่วไปสามารถโดยพลการใกล้กับศูนย์ การเปลี่ยนแปลงไม่ใช่เพราะความร้อน แต่เนื่องจากการเคลื่อนที่ของควอนตัมของอนุภาคดังนั้นจึงเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงเฟสควอนตัม บทนำที่ได้รับความนิยมในระดับปานกลางในหัวข้อนี้สามารถพบได้ในความคิดเห็นของ S. M. Stishov "ควอนตัมเฟสเปลี่ยน" และ M. Vojta การเปลี่ยนเฟสควอนตัม

ข้อมูลที่มีการเปลี่ยนเฟสควอนตัมในระบบบางอย่างเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการทำความเข้าใจว่าระบบนี้มีชีวิตอยู่อย่างไรองศาของอิสรภาพอยู่ในตัวมัน (และนี่ก็เป็นคำถามสำคัญของฟิสิกส์ทั้งหมดของสารควบแน่น) การเปลี่ยนเฟสนี้ไม่จำเป็นต้องสังเกต; ความใกล้ชิดกับมันอาจเป็นคำใบ้เพื่อให้เข้าใจถึงปรากฏการณ์ในระบบนี้ได้ดีขึ้น ดังนั้นตัวอย่างทั้งหมดที่เกิดขึ้นในการเปลี่ยนเฟสควอนตัมเป็นเรื่องที่น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับทั้งนักทฤษฎีและนักทดลอง

ค้นหาการเปลี่ยนเฟสควอนตัมในเรื่องนิวเคลียร์

ตอนนี้เรากลับไปที่นิวเคลียสของอะตอม, หยดของเรื่องนิวเคลียร์ นักฟิสิกส์สามารถมีอิทธิพลต่อสมบัติของสารนิวเคลียร์ได้ ยกตัวอย่างเช่นคุณสามารถผลักนิวเคลียสด้วยกันและกันด้วยพลังงานที่สูงและดูว่าในชั้นซุปเปอร์ร้อนและมีความหนาแน่นสูงเกิดขึ้นนิวเคลียสจะผ่านการเปลี่ยนเฟสไปเป็นพลาสมาควาร์ก – กลูออน แต่นี่คือการเปลี่ยนแปลงเฟสปกติ

จนถึงตอนนี้เราไม่จำเป็นต้องรับมือกับการเปลี่ยนเฟสควอนตัมในฟิสิกส์นิวเคลียร์ นี้ไม่น่าแปลกใจ เราไม่สามารถ "พลังนิวเคลียร์" บิดดังนั้นเราจึงไม่สามารถถ่ายโอนแกนจากรัฐหนึ่งไปยังอีกรัฐหนึ่งได้อย่างราบรื่น อย่างไรก็ตามเราสามารถศึกษาคำถามนี้ในทางทฤษฎีโดยการจำลองแบบจำลองของกองกำลังนิวเคลียร์ที่สมเหตุสมผล นั่นคือสิ่งที่ได้ทำในงานใหม่เกี่ยวกับตัวอย่างของนิวเคลียสอัลฟ่าเช่นนิวเคลียสที่มีองค์ประกอบ nucleon เป็นองค์ประกอบหลายส่วนของอนุภาคอัลฟา

บทบาทที่ได้รับการเน้นย้ำของนิวเคลียสดังกล่าวเกิดจากสาเหตุนี้ เป็นที่ทราบกันดีว่าอนุภาคแอลฟา (สองโปรตอนและสองนิวตรอน) เป็นกลุ่มก้อนนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ แข็งแรงมากที่นิวเคลียสอื่น ๆ ที่มีโปรตอนและนิวตรอนเท่า ๆ กันและเท่าเทียมกันสามารถถือได้ว่าเป็นอนุภาคแอลฟาติดอยู่ไม่ใช่โปรตอนและนิวตรอนเพียงอย่างเดียว สองกลุ่มดังกล่าว (แกนกลาง 8เป็น) ไม่ก่อให้เกิดนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพเลย – คำใบ้ว่าการดึงดูดนิวเคลียร์ระหว่างอนุภาคแอลฟาไม่แข็งแรง กลุ่มสามกลุ่มคือแกนกลาง 12C, – ค่อนข้างมีเสถียรภาพ แต่เขามีสถานะที่ตื่นเต้นอย่างมากที่ถูกผูกไว้อย่างอ่อน (hoyle state) ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการสังเคราะห์นิวเคลียสในจักรวาลต้น ๆ และโดยที่ไม่มีคุณและฉันอยู่ในจักรวาล นิวเคลียสอื่น ๆ (ออกซิเจน -16, นีออน -20 ฯลฯ ) มีมากยิ่งขึ้น แต่สเปกตรัมกระตุ้นของมันก็สามารถมีสถานะที่น่าสนใจ

ผู้เขียนงานใหม่ตัดสินใจที่จะหาว่าภาพนี้จะเปลี่ยนไปหรือไม่ถ้ากฎหมายของกองกำลังนิวเคลียร์ได้รับการแก้ไขเล็กน้อย สำหรับเรื่องนี้พวกเขาสร้างรูปแบบการปฏิสัมพันธ์ nucleon-nucleon สองแบบ (แบบจำลอง A และแบบ B) และภายใต้กรอบของการคำนวณเชิงตัวเลขที่ซับซ้อนบนพื้นฐานของทฤษฎีสนามที่มีประสิทธิภาพในการ chiral บนตาข่ายคำนวณพลังงานที่มีผลผูกพันของนิวเคลียสอัลฟาเหมือน 20ทิศตะวันออกเฉียงเหนือ ทั้งสองแบบไม่ได้ถูกนำมาจากเพดานเลย แต่ขึ้นอยู่กับข้อมูลของการทดลองพลังงานต่ำจำนวนมากที่เกิดการปะทะกันของโปรตอน พวกมันมีความแตกต่างกันเล็กน้อยในระดับของตำแหน่งที่ตั้งในการปฏิสัมพันธ์ของ nucleon แต่สำหรับไอโซโทปของไฮโดรเจนและฮีเลียมพวกมันให้ผลเหมือนกันเกือบ อย่างไรก็ตามสำหรับนิวเคลียสที่หนักขึ้นพวกมันเริ่มแตกต่างกันเนื่องจากจุดมุ่งหมายของการทำงานไม่ตรงกับการทดลอง แต่เพื่อแสดงถึงการมีอยู่ของผลกระทบใหม่และอนุญาตให้กลุ่มอื่น ๆ ตรวจสอบผลลัพธ์ของพวกเขาผู้เขียนของการคำนวณนี้ จำกัด ตัวเองไว้เป็นทฤษฎีเกี่ยวกับการก่อกวนที่ใกล้เคียงกันเป็นครั้งแรก

โมเดล A และ B ต่างกันเล็กน้อยในการออกแบบของพวกเขา แต่พวกเขานำไปสู่ภาพที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงของเรื่องนิวเคลียร์ สำหรับรูปแบบ A พลังงานที่มีผลผูกพันของนิวเคลียสอัลฟ่าเหมือนได้ด้วยความถูกต้องดีกว่าเปอร์เซ็นต์พลังงานที่มีผลผูกพันของอนุภาคแอลฟา ตัวอย่างเช่นพลังงานพันธบัตร 16O ออกมาได้ 4 เท่าของพลังงานที่มีผลต่ออนุภาคอัลฟ่า ซึ่งหมายความว่าในรุ่นนี้ ไม่มีนิวเคลียสหนักต่อ se; แทนรูปแบบคาดการณ์อัลฟ่าอัลฟา รูปแบบขตรงกันข้ามแสดงให้เห็นถึงพลังงานผูกพันมากกว่าชุดของอนุภาคอัลฟา แกนในรุ่นนี้มีความแข็งแรงมากรวมทั้งเบริลเลียม -8 ซึ่งไม่เสถียรในธรรมชาติ ผลการทดลองทั้งสองแบบนี้คือนิวเคลียสอัลฟ่าในรูปของนิวเคลียสที่มีขนาดกะทัดรัดและในรูปของแก๊สที่ได้ทำให้เป็นรูปเป็นร่าง 1

ขั้นตอนต่อไปผู้เขียนตัดสินใจที่จะตรวจสอบสิ่งที่จะเกิดขึ้นกับเรื่องพลังงานนิวเคลียร์ถ้าเราเอาอะไรบางอย่างระหว่างรุ่น A และ Bพวกเขาเขียนถึงศักยภาพในการปฏิสัมพันธ์ในรูปแบบ \ (V = (1- \ lambda) V_A + \ lambda V_B \) โดยที่พารามิเตอร์λเปลี่ยนจากศูนย์เป็นหนึ่ง Zero หมายถึงโมเดลบริสุทธิ์ A, unit – pure model B. การเปลี่ยนแปลงλเล็กน้อยผู้เขียนติดตามพลังงานที่มีผลผูกพันของนิวเคลียสเดียวกัน

มะเดื่อ 2 แผนภาพควอนตัมเฟสของนิวเคลียร์ที่ได้รับในบทความ ในพื้นที่ด้านซ้าย (แสดง สีน้ำเงิน) นิวเคลียสหนักไม่มีอยู่มีก๊าซของอนุภาคแอลฟาแทน ในพื้นที่ด้านขวา (แสดง สีเขียว) นิวเคลียสหนักสามารถสร้างได้ แถบสีแดง ระหว่างพวกเขาเป็นเส้นของการเปลี่ยนแปลงระยะควอนตัม ภาพจากบทความในการสนทนา จดหมายวิจารณ์ทางกายภาพ

ในรูป 2 แสดงผล เลื่อนออกในแนวตั้ง ส่วนเกิน พันธบัตรพลังงานเพื่อการพลังงานของอนุภาคอัลฟา ศูนย์ในระดับนี้หมายความว่าจะได้รับอนุภาคแอลฟาค่าต่ำกว่าศูนย์เป็นแกนขนาดเล็ก ที่λ = 1 (แบบจำลองบริสุทธิ์ B) นิวเคลียสทั้งหมดมีการเชื่อมต่อกัน แต่มีการลดลงของพารามิเตอร์นี้พลังงานที่มีผลผูกพันลุกขึ้นและหนึ่งต่อจากที่อื่นถึงศูนย์ ที่λ = 0 (แบบจำลองบริสุทธิ์ A) นิวเคลียสที่ศึกษาทั้งหมดจะแยกตัวออกเป็นอนุภาคแอลฟา

ตัวเลขนี้แสดงถึงความพยายามครั้งแรกในการสร้างแผนภาพเฟสของควอนตัม (ไม่ใช่ทางอุณหพลศาสตร์) ของเรื่องนิวเคลียร์ภายในกรอบของการประมาณที่ใช้โดยผู้เขียนแผนภาพนี้แบ่งออกเป็นสองส่วนโดยแถบสีแดง – เส้นของการเปลี่ยนเฟสควอนตัม ด้านซ้ายของวัตถุนิวเคลียร์มีอยู่ในรูปของแก๊สอัลฟ่าของอนุภาคอัลฟ่าซึ่งไม่สามารถรวมตัวกันได้อีก ในพื้นที่ทางด้านขวา – อย่างน้อยก็มีแกนหนักอยู่ เรื่องนิวเคลียร์ที่แท้จริงในโลกของเราอยู่ทางด้านขวาในพื้นที่สีเขียว แต่ไม่ไกลจากการเปลี่ยนเฟสควอนตัม ประมาณการที่ถูกต้องมากขึ้นของความใกล้ชิดจะได้รับเฉพาะหลังจากที่ทำซ้ำการศึกษาเดียวกัน แต่ไม่มีการทำให้เข้าใจง่ายขึ้นโดยมีปฏิกิริยาที่เป็นไปได้มากที่สุด

ด้านเทคนิคการศึกษาพบว่าปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคแอลฟามีความไวต่อรายละเอียดของการปฏิสัมพันธ์ของ nucleon-nucleon โมเดลเปลี่ยนแปลงไปนิดหน่อย – และอนุภาคแอลฟารวมเข้าด้วยกันเป็นนิวเคลียสหนักหรืออาศัยอยู่แยกกัน การกระเจิงของอนุภาคอัลฟาต่อกันและกันก็ขึ้นอยู่กับรายละเอียดของแรงนิวเคลียส แต่นั่นหมายความว่าปัญหาสามารถย้อนกลับได้: คุณสามารถใช้ข้อมูลในการกระเจิงของอนุภาคอัลฟาเพื่อปรับปรุงรูปแบบการปฏิสัมพันธ์ของ nucleon ได้อย่างมาก วิธีนี้ได้ถูกนำมาใช้ในรูปแบบอื่นแล้วและผู้เขียนเห็นที่นี่อีกขั้นหนึ่งเพื่อชี้แจงการคำนวณโครงสร้างนิวเคลียร์จากหลักการแรก

เนื่องจากความใกล้ชิดของเรื่องนิวเคลียร์กับการเปลี่ยนแปลงช่วงควอนตัม, วิธีการใหม่ในการศึกษานิวเคลียสของกลุ่มอัลฟาและสถานะที่ตื่นเต้นของพวกเขาก็จะปรากฏขึ้น ตัวอย่างเช่นสภาพของคาร์บอนซึ่งความพยายามของกลุ่มผู้เขียนเดียวกันได้ทำซ้ำในการคำนวณเชิงตัวเลขที่ซับซ้อนจากหลักการแรกอาจกลายเป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกับรัฐ Efimov ที่มีชื่อเสียงน้อยกว่า โดยทั่วไปนอกเหนือจากการคำนวณตัวเลขที่รุนแรงแล้วนักฟิสิกส์ยังมีโอกาสใหม่ในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับผลกระทบของโครงสร้างนิวเคลียร์ด้วย

ที่มา: S. Elhatisari และคณะ การผูกมัดนิวเคลียร์ใกล้การเปลี่ยนเฟสควอนตัม // จดหมายวิจารณ์ทางกายภาพ. โวลต์ 117, 132501 (19 กันยายน พ.ศ. 2560); บทความนี้มีให้บริการเป็น preprint ของ arXiv: 1602.04539 [nucl-th]

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: