Hoe ziet de binnenkant van een koolstofatoom eruit? Een recente studie van het Jülich Research Center, Michigan State University en de Universiteit van Bonn biedt het eerste alomvattende antwoord op deze vraag. Een baanbrekend onderzoek heeft de interne structuur van de koolstofkern onthuld, wat het belang van de Hoyle-staat benadrukt en nieuwe inzichten biedt in de rangschikking van nucleaire deeltjes. Dit onderzoek maakt de weg vrij voor verdere ontdekkingen in de kernfysica.
In deze studie simuleerden de onderzoekers alle bekende energietoestanden van de atoomkern. Dat geldt ook voor de verbijsterende Hoyle-status. Als de Hoyle-staat niet zou bestaan, zouden koolstof en zuurstof minimaal aanwezig zijn in het universum. Daarom hebben wij er ook ons bestaan aan te danken. Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
Samenstelling en dynamiek van atoomkernen
De kern van een koolstofatoom bestaat doorgaans uit zes protonen en zes neutronen. Maar hoe zijn ze precies geregeld? Hoe verandert hun configuratie als atoomkernen worden gebombardeerd met hoogenergetische straling? De wetenschappelijke gemeenschap is al tientallen jaren op zoek naar antwoorden op deze vragen. Vooral omdat ze een antwoord zouden kunnen bieden op een mysterie dat natuurkundigen al lang in verwarring brengt: waarom zijn er zoveel koolstofatomen in de ruimte – zonder welke er geen leven op aarde zou zijn? Kort na de oerknal bestond er immers alleen maar waterstof en helium. De waterstofkern bestaat uit één proton en de heliumkern uit twee protonen en twee neutronen. Alle zwaardere elementen zijn miljarden jaren later ontstaan door verouderende sterren. In deze sterren smelten heliumkernen onder enorme druk en extreem hoge temperaturen samen tot koolstofkernen. Hiervoor zijn drie heliumkernen nodig om samen te smelten.
Professor Dr. Ulf Meißner van het Helmholtz Instituut voor Straling en Kernfysica aan de Universiteit van Bonn en het Instituut voor Geavanceerde Simulatie van het Forschungszentrum Jülich legde uit: "Maar in feite is het onwaarschijnlijk dat dit zal gebeuren. Waarom? De energie van heliumkernen is veel hoger dan die van koolstofkernen."
Dat betekent echter niet dat ze bijzonder gemakkelijk te combineren zijn, integendeel: het is alsof drie mensen in een draaimolen proberen te springen. Maar omdat ze veel sneller rennen dan een draaimolen, is het moeilijk om te slagen.
Hoyle-staat: sleutel tot koolstofvorming
Daarom speculeerde de Britse astronoom Fred Hoyle al in de jaren vijftig dat drie heliumkernen voor het eerst samenkwamen om een overgangstoestand te vormen. Deze "Hoyle-toestand" lijkt sterk op de energie van een heliumkern. Het is als een draaimolen die sneller draait, zodat er gemakkelijk drie passagiers op kunnen stappen. Wanneer dit gebeurt, vertraagt de carrousel naar de normale snelheid.
"Alleen door de staat Hoyle te omzeilen kunnen sterren aanzienlijke hoeveelheden koolstof creëren", zegt Meissner, lid van het interdisciplinaire onderzoeksgebied "Modeling" en "Matter" aan de Universiteit van Bonn.
Geavanceerde simulatietechnologie
Ongeveer tien jaar geleden simuleerde hij samen met collega's uit de Verenigde Staten, Forschungszentrum Jülich en Ruhr-Universität Bochum, voor het eerst met succes de staat Hoyle.
‘Destijds wisten we al hoe de protonen en neutronen van de koolstofkern in deze toestand waren gerangschikt. We konden echter niet met zekerheid bewijzen dat deze hypothese juist was’, legt hij uit.
Met behulp van een geavanceerde methode zijn onderzoekers daar nu in geslaagd. Dit is voornamelijk gebaseerd op beperkingen: in werkelijkheid kunnen protonen en neutronen – nucleonen – zich overal in de ruimte bevinden. Om hun berekeningen uit te voeren, beperkte het onderzoeksteam deze mate van vrijheid echter: "We hebben de nucleaire deeltjes gerangschikt op de knooppunten van een driedimensionaal rooster", legt Meißner uit. "Daarom staan we ze alleen toe om zich in bepaalde strikt gedefinieerde posities te bevinden. Juist vanwege deze beperking is het mogelijk om de beweging van nucleonen te berekenen. Deze taak is erg ingewikkeld omdat de interactie tussen kerndeeltjes verschilt afhankelijk van de afstand."
De onderzoekers voerden ook miljoenen simulaties uit met iets andere startomstandigheden. Hierdoor konden ze zien waar protonen en neutronen het meest waarschijnlijk zouden verschijnen.
"We hebben berekeningen uitgevoerd voor alle bekende energietoestanden van de koolstofkern", zegt Meißner. De berekeningen werden uitgevoerd op de JEWELS-supercomputer van het Jülich Research Center. In totaal vergden de berekeningen ongeveer 5 miljoen processoruren, waarbij duizenden processors tegelijkertijd werkten.
onthul de structuur van de atoomkern
Deze resultaten geven effectief een beeld van de koolstofkern. Ze bewijzen dat kerndeeltjes niet onafhankelijk bestaan. "In plaats daarvan clusteren ze zich in groepen van twee neutronen en twee protonen", legt de natuurkundige uit. Dit betekent dat er nog steeds drie heliumkernen kunnen worden gedetecteerd nadat ze zijn gefuseerd tot een koolstofkern. Afhankelijk van de energietoestand bestaan ze in verschillende ruimtelijke vormen - ofwel gerangschikt in een gelijkbenige driehoek, ofwel als een licht gebogen arm, met elk één kern ter hoogte van de schouder, elleboog en pols. "
Deze studie geeft onderzoekers niet alleen een beter inzicht in de fysica van koolstofkernen. "De door ons ontwikkelde methode kan eenvoudig worden gebruikt om andere atoomkernen te simuleren en zal zeker tot compleet nieuwe inzichten leiden", aldus Meissner.
Referenties Shen Shihang, Serdar Elhatisari, Timo A. Lähde, Dean Lee, Bing-Nan Lu en Ulf-G. Meißner, "Opkomende geometrieën en dualiteiten in koolstofkernen", 15 mei 2023, Nature Communications. Meißner, 15 mei 2023, Nature Communications.
DOI:10.1038/s41467-023-38391-y
Samengestelde bron: ScitechDaily