Este estado es una resonancia, lo que significa que no está localizado espacialmente y tiene una vida finita regido por su distancia (en energía) desde el umbral de emisión de partículas. La resonancia permite que aproximadamente cuatro de cada diez mil desintegraciones produzcan el estado fundamental del carbono-12. Fred Hoyle predijo la resonancia en 1954, argumentando que sin ella, el carbono estable, no existiría [ ver aquí ]. Tres años más tarde, un grupo experimental en Caltech demostró que tenía razón [ ver aquí ].
Una vez que se forma el carbono, la producción de muchos elementos más pesados, como el oxígeno de nuestros mares y atmósfera o el silicio necesario en teléfonos móviles y ordenadores-esencialmente caen en su lugar. Dado su papel fundamental, es natural preguntarse: ¿Podemos entender la estructura nuclear del carbono desde sus "primeros principios"? ¿Y qué queremos decir con los "primeros principios"? Estas son intelectualmente desafiantes tareas que, hasta hace poco, han eludido a una comprensión teórica satisfactoria. Tal vez este ya no es el caso. Un artículo publicado en PhysicalReview Letters por Evgeny Epelbaum de la Universidad Ruhr en Bochum, Alemania, y sus colegas [ ver aquí ] apunta a un cálculo de los "primeros principios" que determinan las energías de los estados terrestres y de Hoyle del carbono-12, así como otros estados excitados.
sintesis del carbón en una ardiente estrella .Dos partículas alfa reaccionan para formar berilio-8.El berilio-8 reacciona con una partícula alfa para formar carbono-12 procediéndo via el estado de Hoyle.Este estado del carbono-12 es una resonancia en el sistema partícula alfa más berilio-8.Una véz que el estado resonante es formado el tiende a desintegrarse en berilio-8 más una partícula alfa.Sin embargo solo aproximádamente 4 de 10 mil desintegraciones llevan al núcleo excitado de carbono-12 al estado fundamental.
El trabajo de Epelbaum trata un intelectual tema clave en curso en la investigación de física nuclear: la comprensión de los límites de estabilidad de la materia a partir de los bloques de construcción básicos (protones y neutrones) y la teoría que describe su interacción, a ser posible a partir de la cromodinámica cuántica. La naturaleza compleja de las fuerzas nucleares entre los protones y los neutrones produce diversos fenómenos nucleares, que se caracterizan por energías de unos pocos kiloelectronvolts a varios miles de millones de electronvoltios. La captura de esta gama de escalas de energía con cálculos que sean tratables plantea un duro desafío a la teoría nuclear de muchos cuerpos y las descripción de los llamados "primeros principios" de los sistemas nucleares. Los "primeros principios", normalmente se refieren a los métodos que nos permiten resolver con exactitud, o dentro de aproximaciones controlada, ya sea la ecuación de Schrödinger no relativista o la relativistaecuación de Dirac para muchas partículas que interactúan. La entrada a estos métodos es típicamente un propuestoHamiltoniano y los correspondientes grados de libertad, tales como el número de neutrones y protones.
Dentro de este contexto, Epelbaum aborda un extremadamente duro y complicado problema teórico. Ya, el estado fundamental del carbono-12 es un difícil problema de muchos cuerpos. El estado Hoyle está a 7. 6 millones de electronvoltios más alto en energía que el estado fundamental, pero tiene el mismo momento angular total (J = 0) y paridad (positiva). El hecho de que los dos estados compartan los mismos números cuánticos, pero muy diferentes configuraciones espaciales, complica los cálculos. La densidad media de la materia nuclear es mucho mayor que la encontrada en los sólidos o los átomos, y la interacción entrenucleones es dictada por la fuerza fuerte. Esta fuerza, en particular, por las importantes s-ondas, es repulsiva a distancias cortas [menos de la mitad de un femtómetro (FM)], pero tiene un componente atractivo en intermedios y largos rangos (hasta 2-3 fm). Por estas razones, los modelos que asumen que los núcleos son partículas independientes no pueden explicar plenamente lo que se observa experimentalmente, por ejemplo, los niveles de energía de los núcleos. Por el contrario, las consecuencias de las correlaciones en los sistemas nucleares de muchas partículas son muy difíciles de medir experimentalmente e interpretar teóricamente. Desde un punto de vista teórico, una comprensión adecuada de dichas fuerzas de muchos cuerpos y las correlaciones es crucial a fin de proporcionar una teoría predictiva de muchos cuerpos. Además, es fundamental para entender qué componentes de las fuerzas nucleares y las correlaciones son responsables de un particular observable espectroscópico. Por último, una teoría adecuada de muchos cuerpos debería cuantificar la incertidumbre en sus predicciones.
Años de experiencia en la materia condensada y la física de alta energía han demostrado el poder de utilizar la red desimulaciones de Monte Carlo (donde las propiedades físicas de un sistema son discretizadas en una malla de red) para predecir las propiedades de los sistemas de muchos cuerpos, véase, por ejemplo , una revisión reciente [aquí]. Basándose en este conocimiento, Epelbaum combina la red de simulaciones con un Lagrangiano derivado de la teoría de campo efectiva [ ver aquí] para predecir, numéricamente, los niveles de energía y la estructura espacial del helio-4, el berilio-8 y el carbono-12. (El Lagrangiano es, básicamente, una expansión perturbativa en potencias del momento intercambiado entre nucleones y piones). El grupo muestra cómo los diferentes componentes de las fuerzas nucleares determinan la descripción de los estados fundamentales y los estados excitados de estos núcleos. También proporcionan estimaciones estadísticas de error y muestran cómo las fuerzas de muchos cuerpos evolucionan a medida que se añaden nucleones a los núcleos. Los parámetros de la teoría del campo eficaz para la interacción tres-nucleón son fijados para reproducir la energía de enlace del helio-4, mientras que los resultados del berilio-8, y el carbono-12 son pura predicciones. Es importante señalar que estos cálculos no habrían sido posible sin el acceso a las modernas instalaciones de computación de alto rendimiento.
Los resultados del grupo están de acuerdo con los experimentos. También encuentran una resonancia para el carbono-12,la cual se encuentra cerca en energía al experimentalmente conocido estado de Hoyle y su asumida estructura espacial, con tres partículas alfa dispuestas casi de forma lineal. El análisis de este estado en términos de las diferentes contribuciones de las interacciones nucleares es de particular interés. La inclusión de las interacciones tres- nucleón es esencial para que coincida con los resultados experimentales. Idealmente, el trabajo futuro explorará el papel desempeñado por las correcciones de orden superior, tales como la inclusión de las interacciones de cuatro cuerpos. Sin embargo, ya es gratificante para la teoría de la estructura nuclear que estos cálculos son capaces de reproducir, sin una suposición a priori sobre la estructura de un estado determinado, la física relevante de un complicado sistema de muchos cuerpos.
Otros cálculos de "primeros principios" han descrito con éxito la estructura de varios núcleos ligeros [ ver aquí y aquí ], las reacciones entre los iones de luz [ ver aquí ], e, isótopos más pesados [ ver aquí]. Este trabajo representa una gran promesa para una descripción verdaderamente cuantitativa de los núcleos y sus propiedades. programas experimentales recientes y futuros en física nuclear de baja energía tienen el objetivo de la exploración de los límites de la estabilidad de la materia nuclear, con consecuencias de gran alcance para nuestra comprensión de la estructura nuclear y la síntesis de los elementos. Las correlaciones más allá de una imagen de partícula independiente que surge en el núcleo hacia cualquiera de las líneas de goteo de protones o neutrones(el límite predicho de la carta de los núcleos), deberían proporcionarnos una mejor comprensión de las estructuras de cáscara y las propiedades de partícula simple del núcleo. Todos estos esfuerzos requieren modelos que puedan extraer una simple imagen física de sistemas complejos de muchos cuerpos. Epelbaum ha abierto un camino muy interesante hacia los logros de estos ambiciosos objetivos.
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v4/38
