سریع‌ترین ابررایانه جهان رمز معمای مغناطیسی ده‌ساله کلسیم-۴۸ را کشف کرد
دانشمندان هسته‌ای در آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) با استفاده از سریع‌ترین ابررایانه جهان، Frontier، به دستاورد بزرگی نائل آمدند.
آنها یک گام به حل یک اختلاف قدیمی در زمینه فیزیک هسته‌ای نزدیک‌تر شدند. تحقیقات آنها بر روی دی‌کد کردن خواص مغناطیسی هسته اتم کلسیم-۴۸ متمرکز است.
گائوت هگن، فیزیکدان محاسباتی در ORNL، گفت: «هسته کلسیم-۴۸ دارای حالت تحریک شده‌ای است که سریعاً ناپدید می‌شود زیرا دارای تعاملات مغناطیسی قوی است و یکی از بالاترین قوای انتقال را دارد.»
یافته‌های این تحقیق به منظور افزایش درک ما از مغناطیس درون هسته‌ها و پایان دادن به یک بحث ده‌ساله بین تجربیاتی که نتایج متضادی درباره رفتار مغناطیسی کلسیم-۴۸ تولید کرده‌اند، انجام شد.
این کشف می‌تواند تعاملات زیراتمی داخل ابرنواخترها، انفجارهای عظیم ستاره‌ای که عناصر سنگین را در سراسر جهان پخش می‌کنند، آشکار کند.
هگن اضافه کرد: «ما بسیار به قوانین تشکیل هسته‌ها علاقه‌مندیم. شبیه‌سازی نیروهای بنیادی داخل کلسیم-۴۸ به ما کمک می‌کند تا بهتر درک کنیم چگونه ایجاد می‌شود و شاید همچنین بینشی در مورد وجود سایر هسته‌ها بدهد.»
کلسیم-۴۸ دوتایی جادویی
کلسیم-۴۸، نوعی خاص از اتم که در تحقیقات استفاده می‌شود، ساختار بسیار پایداری دارد و برای مطالعه نیروهایی که اتم‌ها را کنار هم نگه می‌دارد یا از هم جدا می‌کند، مفید است.
محققان در یک بیانیه مطبوعاتی گفتند: «هسته آن از ۲۰ پروتون و ۲۸ نوترون تشکیل شده است - ترکیبی که دانشمندان آن را دوتایی جادویی می‌نامند.»
اما رفتار مغناطیسی کلسیم-۴۸ از اوایل دهه ۱۹۸۰ میلادی موضوع بررسی علمی بوده است.
تحقیقات اولیه که با استفاده از پرتوهای پروتون و الکترون انجام شد، قدرت انتقال مغناطیسی حدود ۴ مگنتون هسته‌ای مربع را نشان داد. این مقدار نشان می‌دهد که میدان مغناطیسی درون هسته در طول یک تغییر خاص چقدر قوی می‌شود.
اما در سال ۲۰۱۱، تحقیقات با استفاده از پرتوهای گاما قدرت انتقال مغناطیسی تقریباً دو برابر بیشتر را گزارش کردند. این اختلاف بزرگ باعث سردرگمی در میان دانشمندان در مورد رفتار واقعی مغناطیسی کلسیم-۴۸ شد.
تیم از نظریه میدان مؤثر چیرال استفاده کرد، که پدیده‌های هسته‌ای مشاهده‌شده را به نظریه بنیادی نیروی قوی هسته‌ای، یعنی کرومودینامیک کوانتومی، متصل می‌کند.
توماس پاپنبروک، محقق همکار و فیزیکدان در ORNL، گفت: «اختلافات بین تجربیات مختلف ما را برانگیخت تا بدانیم اگر از این مدل‌های نظری برای مطالعه انتقال مغناطیسی استفاده کنیم، چه نتیجه‌ای خواهیم گرفت.»
پرداختن به اختلاف
برای پرداختن به این معما، تیم ORNL از ابررایانه Frontier استفاده کرد، اولین ماشین اکساسکیل جهان که توانایی انجام بیش از یک کوئنتیلیارد محاسبه در ثانیه را دارد.
بیانیه مطبوعاتی برجسته کرد: «قدرت محاسباتی فوق‌العاده این سیستم به تیم هگن امکان داد تا شبیه‌سازی‌ها را با کارایی و دقت بی‌نظیری انجام دهند.»
آنها همچنین از روش خوشه جفت‌شده برای محاسبه خواص هسته کلسیم-۴۸ با دقت استفاده کردند.
نتایج این شبیه‌سازی‌ها قطعی بود. آنها نشان دادند که قدرت انتقال مغناطیسی کلسیم-۴۸ با نتایج تجربیات گاما-ری مطابقت دارد، به این ترتیب بحث قدیمی در فیزیک هسته‌ای را خاتمه دادند.
درک عمیق‌تر از فیزیک هسته‌ای
این تحقیق به بررسی رفتار مغناطیسی کلسیم-۴۸ محدود نشد. همچنین بینش‌هایی در مورد اثرات پیوسته، که چگونگی تعامل هسته با محیط خود را توضیح می‌دهد، به دست داد.
علاوه بر این، شبیه‌سازی‌ها نمایش پیچیده‌ای از زوج‌های نوکلون (پروتون و نوترون) درون هسته در طول انتقال مغناطیسی ارائه دادند.
شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که اثرات پیوسته قدرت انتقال مغناطیسی را حدود ۱۰٪ کاهش می‌دهند.
«و برخلاف باورهای قبلی که تعاملات زوج نوکلون به طور قابل توجهی قدرت انتقال مغناطیسی را سرکوب یا تضعیف می‌کند، شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که در برخی موارد، این اثرات کمی قدرت انتقال مغناطیسی را افزایش می‌دهند.»
تأثیر بر اخترفیزیک
به‌علاوه، این مطالعه دارای تأثیرات بر اخترفیزیک است. کلسیم-۴۸ در هسته‌های فروریخته ابرنواخترها که در آن نوترینوها، ذرات زیراتمی گریزان، نقش مهمی دارند، به وفور یافت می‌شود.
بیجا آچاری، نویسنده اصلی مطالعه، گفت: «فیزیکی که قدرت انتقال مغناطیسی در کلسیم-۴۸ را توصیف می‌کند، همچنین توصیف می‌کند که چگونه نوترینوها با ماده تعامل می‌کنند.»
آچاری توضیح داد: «بنابراین، اگر مقدار قدرت انتقال مغناطیسی بیشتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد باشد، به این معنی است که گرم‌کردن دوباره و عوامل دیگر مربوط به تعاملات نوترینو در انفجارهای ابرنواختری نیز بیشتر خواهند بود، و بالعکس برای مقادیر کمتر.»
با رمزگشایی قوانین بنیادی حاکم بر تشکیل هسته‌ها، دانشمندان بینش‌هایی در فرآیندهایی که جهان را شکل می‌دهند، از ایجاد ستارگان و سیارات تا فراوانی عناصر، به دست می‌آورند.
رفائل هیکس، فیزیکدان هسته‌ای ORNL، نتیجه‌گیری کرد: «کسی این محاسبات را به نرخ‌های واکنش جالب تبدیل خواهد کرد و سپس آن نرخ‌های واکنش به محاسبات اخترفیزیکی تبدیل می‌شوند تا به ما در درک بهتر جهان کمک کنند.»
