Физики рассчитали толщину нейтронной оболочки в ядре изотопа свинца-208 — она находится в диапазоне от 0,14 до 0,20 фемтометра. Для этого ученые объединили расчет из первых принципов, статистические методы и машинное обучение. Такая схема работает быстрее прямых симуляций и в будущем ее можно будет использовать для описания как легких, так и тяжелых ядер, пишут ученые в Nature Physics.

В тяжелых ядрах, в которых число нейтронов превышает число протонов, нуклоны распределены неравномерно: избыток нейтронов концентрируется снаружи, из-за чего у ядра появляется «нейтронная кожа» — внешняя оболочка, в которой нейтронов больше, чем протонов. Этот эффект связан с обменной энергией между протонами и нейтронами, от него зависит размер и форма тяжелых ядер. Похожее взаимодействие нейтронов происходит и в нейтронных звездах, поэтому экспериментальные исследования и моделирование нейтронных оболочек в ядре помогут ученым разобраться и со структурой нейтронных звезд.

При моделировании тяжелых ядер физикам обычно приходится выбирать между точностью и скоростью расчетов. Приближенные методы, например, теория самосогласованного поля, экономят вычислительные ресурсы, но дают систематические ошибки, а более точные методы ab initio — расчета из первых принципов — редко применяются для систем, содержащих более 100 частиц, в первую очередь из-за вычислительной сложности алгоритмов даже для суперкомпьютеров.

Под термином «ab initio» в физике твердого тела подразумевается группа методов, в которых систему моделируют, описывая первичные квантовые принципы взаимодействия между частицами — для получения ее параметров необходимо решить уравнение Шредингера. И если структуру нейтронной оболочки магического изотопа кальция-48, состоящего из 28 нейтронов и 20 протонов, таким способом обсчитали в 2015 году, то значительно более тяжелое ядро олово-132 (p = 50, n = 82) — только в 2020 году. А для свинца-208 (p = 82, n = 126) ab initio расчетов до сих пор не было.

Чтобы смоделировать столь тяжелое ядро, ученые под руководством Байшаня Ху (Baishan Hu) из канадского ускорительного центра TRIUMF использовали эмуляторы.