Atomo branduolys turi dar daugybę paslapčių, nors jis ir buvo atrastas prieš šimtą metų. Žinoma, daug sužinojome apie branduolį. Galime gauti energiją branduoliams dalijantis. Energija gaunama ir branduoliams susidūrus, tai yra proceso, vadinamo atomų sinteze, metu.
Atomo branduolys turi dar daugybę paslapčių, nors jis ir buvo atrastas prieš šimtą metų.
Žinoma, daug sužinojome apie branduolį. Galime gauti energiją branduoliams dalijantis. Energija gaunama ir branduoliams susidūrus, tai yra proceso, vadinamo atomų sinteze, metu. Nors negalime tiksliai pasakyti, kada konkretus nestabilus branduolys suirs – įvyks spontaninė transformacija iš vieno izotopo į kitą, tačiau galime pasakyti, kaip ilgai didelė grupė branduolių gyvuos. Iš tikrųjų galime su dideliu tikslumu nustatyti branduolio gyvavimo pusamžį, tai yra laiką per kurį penkiasdešimt procentų branduolių suirs, netgi jei pusamžis yra didesnis nei visatos gyvavimo amžius. Branduolys pasižymi savybėmis, kurių supratimas padeda paaiškinti mūsų pasaulį. Viena iš tokių savybių yra protonų ir neutronų, kurie sudaro atomų branduolius ir bendrai vadinamus nukleonų vardu, galimybė susijungti į poras.
Fizikai iš Ouk Ridžo Nacionalinės laboratorijos (Oak Ridge National Laborator), Tenesio universiteto (University of Tennessee) bei GSI, esančio Vokietijoje, Darmštate (Darmstadt), neseniai teorinius tyrimus atliko su Jaguaro superkompiuteriu. Buvo tiriamas neutronų porų susidarymas viename iš neįprastų germanio izotopų (germanium-72). Mokslininkai nustatė, kad pasikeitus temperatūrai ir sukimuisi, branduoliai pereina mažiausiai per dvi fizikines būsenas. Darbas, kuriame mokslininkai pasiūlė pirmą realistinį šios rūšies fazinių virsmų atomų branduoliuose aprašymą, yra atspausdintas „Physical Review Letters“ žurnale.
Mūsų kasdieniniame gyvenime esame fazinio virsmo liudininkais, kai vandenį sušaldome į ledą arba jį užviriname ir vanduo pradeda garuoti. Šios trys vandens būsenos – kieta, skysta ir dujos, yra trys fazės, o perėjimas iš vienos fazės į kitą priklauso nuo slėgio ir temperatūros. Tačiau atomo branduolio kvantiniame pasaulyje faziniai virsmai yra sudėtingesni.
Germanis-72 turi trisdešimt du protonus (kaip ir visi germanio izotopai) ir keturiasdešimt neutronų. Šie keturiasdešimt neutronų sudaro tvirtas jungtis, kai branduolys yra šaltas ir ramus, bet porų ryšiai susilpnėja padidinus temperatūrą ar sukimąsi. Tačiau mokslininkai atrado, kad šis sąryšis nėra tiesioginis. Esant dideliam sukimuisi, porų ryšiai susilpnėja keliant temperatūrą, bet prie tam tikros temperatūros stebimas staigus ryšio sustiprėjimas, kuris vėl silpsta didinant temperatūrą. Šis staigus porų ryšio sustiprėjimas rodo perėjimą tarp skirtingų fazių.
„Fazinis virsmas yra susijęs su porų susidarymu, sukimusi ir temperatūra, – paaiškino grupėje dirbanti mokslininkė Hai Ah Nam. – Matėme, kad prie didelio branduolio sukimosi, yra kritinė temperatūra, kai staiga sustiprėja porų ryšiai. Tai buvo labai įdomu.“
Ji pasakė, kad stebėtas fazinis virsmas yra įdomus iš dalies todėl, kad jis labai panašus į pokyčius stebimus feromagnetiniuose superlaidininkuose. Tuo atveju medžiagoje esantys elektronai sudaro Kuperio (Cooper) poras žemiau kritinės temperatūros, ir elektronai gali judėti medžiagoje be pasipriešinimo.
„Prie šios temperatūros, porų ryšiai tarp neutronų germanio izotope vėl atsinaujino, – pasakė Nam. – Įvyko fazinis virsmas. Panašiai kaip ir superlaidininkuose, kai prie tam tikros temperatūros susiformuoja Kuperio poros. Tokios poros ir užtikrina superlaidumo efektą.“
Vėliau mokslininkai atliko germanio-72 skaičiavimus ant Jaguar superkompiuterio. Naudotas statitistinis metodas, vadinamas Monte Karlo sluoksninio modelio metodu (Shell Model Monte Carlo). Branduolio sluoksniniame modelyje protonai ir neutronai laipsniškai užima vis aukštesnius energijos lygmenis. Ribotas skaičius nukleonų gali būti tame pačiame lygmenyje. Pavyzdžiui, tu neutronai gali būti žemiausiame energijos lygmenyje, keturi – sekančiame, dar dvejais daugiau jų gali būti trečiame lygmenyje ir taip toliau.
Skaičiavimuose naudotame metode yra nagrinėjami protonai ir neutronai kiekviename energijos lygmenyje. Siekiant išvengti visų įmanomų konfigūracijų, tai yra milijardų milijardus konfigūracijų, kurias gali sudaryti septyniasdešimt du nukleonai, metode naudojami kvantinės statistikos vidurkiai. Šis metodas leido mokslininkams gauti labai tikslias vertes kartu su žinomomis metodo paklaidomis. Netgi naudojant tokius supaprastinimus keturių valandų skaičiavime buvo panaudoti aštuoniasdešimt tūkstančių iš dviejų šimtų keturiasdešimties tūkstančių Jaguaro superkompiuterio procesoriaus branduolių.
„Jaguaro superkompiuterio indėlis sprendžiant šią problemą yra milžiniškas, – paaiškino Nam. – Šios informacijos gavimui prieš dešimtmetį būtų prireikę daug mėnesių. Dabar galėjome atlikti skaičiavimus su superkompiuteriu per savaitę.“
Mokslininkai planuoja pratęsti tyrimus siekdami nustatyti, ar šis efektas taip pat pasireiškia ir kitiems izotopams, ne tik germaniui-72. Mokslininkai taip pat pasiūlė būdą, kaip būtų galima palyginti teorinius duomenis su eksperimentiniais. Pradiniai skaičiavimų duomenys rodo, kad fazinis virsmas germanio-72 izotope yra unikalus.
„Tolimesniuose tyrimuose mes planuojame išnagrinėti tuziną ar daugiau vidutinio sunkumo atomų branduolių ir nustatyti, ar toks pats efektas gaunamas ir juose, – pasakė Nam. – Kadangi Jaguaras yra toks galingas įrankis, mes galime bandyti kasti giliau ir, iš esmės, atlikti daugiau skaičiavimų per trumpą laiką. Tai leis mums geriau suprasti vykstančius procesus. Anksčiau tokie skaičiavimai nebuvo įmanomi.“
Vienas iš Monte Karlo sluoksninio modelio metodo pranašumų yra galimybė numatyti fazinio virsmo pasekmes, kurios gali būti eksperimentiškai patikrintos. Šiuo atveju energijos kiekis, žinomas specifinės šilumos pavadinimu, reikalingas medžiagos temperatūrai pakelti, staiga sumažėja prie kritinės temperatūros.
Nam pasakė, kad į juos jau kreipėsi eksperimentuotojai, kurie suinteresuoti gautų teorinių rezultatų patikrinimu. Žinoma, tai sunki, tačiau įveikiama užduotis. Mokslininkai jau anksčiau tyrė branduolių specifinę šilumą, bet germanis-72 nebuvo iki šiol nagrinėtas. Niekas nežino, ką reiškia, kad branduolys patiria tokio tipo fazinį virsmą. Gauti rezultatai yra visiškai nauji, ir jų patikrinimui bei supratimui reikės laiko.
„Ryšys tarp superlaidumo, greito sukimosi ir temperatūros yra visiškai nauja tema, kuri gali būti nagrinėjama įvairiose fizikinėse sistemose, tame tarpe atomų branduoliuose ir feromagnetikuose, – pabrėžė Tenesio universiteto ir Varšuvos universiteto fizikas Vitoldas Nazarevičius (Witold Nazarewicz). – Esame labai laimingi gavę, kad teorinis modelis gali numatyti fazinius virsmus, susijusius su nukleonų porų susidarymu, branduolyje.“
„Kokia, vis dėlto, fizikinė reikšmė žinojimo, kad germanyje pasikeičia fazės? Fazių pokytis gali būti panaudotas įvairiuose taikymuose, – tęsė Nam aiškindama darbo prasmę. – Dabar šie rezultatai yra dar vienas žingsnis, padedantis geriau suprasti branduolį.“
Paveikslėlyje schematiškai parodyti trys germanio-72 izotopo branduoliai prie skirtingų temperatūrų. Kaitinant branduolį ryšys tarp protonų ir neutronų porų pastoviai mažėja. Bet prie tam tikros temperatūros porų susidarymas vėl sustiprėja. Tai pavaizduota centriniame branduolyje. Šis reiškinys rodo fazinį virsmą germanio-72 branduolyje.
