Американско-польская группа физиков-теоретиков уточнила скорость процессов, протекающих при распаде единичного ядра плутония-240. Оказалось, разделение ядра на осколки происходит по меньшей мере на порядок медленнее, чем считалось ранее. Это первая работа, в которой для оценки процессов ядерного распада применялась модель сверхтекучего ядра. Исследование опубликованов журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Physics.

Авторы использовали в расчетах методы компьютерного моделирования в приближении теории функционала плотности (DFT). При этом, в отличие от ранних работ, физики рассматривали ядро как сверхтекучую жидкость. Это позволило избавиться от дополнительных искусственных ограничений на форму ядра (требование симметричности) и энергетический баланс процесса. В модели протоны и нейтроны образуют пары, аналогичные куперовским парам электронов в сверхпроводниках. Такое спаривание позволяет «сконденсировать» фермионные частицы и обеспечить сверхтекучесть. 

Вычисления проводились на суперкомпьютере Titan, расположенном в Оак-Риджской Национальной Лаборатории. Моделирование 120 тысяч шагов распада, каждый из которых длился менее септиллионной доли секунды потребовало девяти часов работы 1760 графических ядер. Основное внимание физики обратили на финальные стадии процесса, когда ядро 240Pu распадается на два дочерних. 

Эволюция протонной и нейтронной плотности в ядре плутония-240. Aurel Bulgac et al. / PRL, 2016

Авторы отмечают, что кинетическая энергия осколков, полученная теоретически, хорошо совпала с экспериментальными данными. Вместе с тем, оказалось, что осколки оставались связанными между собой примерно в 10 раз дольше, чем предсказывали ранние работы. Новый результат может улучшить модели, описывающие гамма-излучение осколков деления.

Распад ядра атома плутония — многочастичная задача, включающая взаимодействие между собой более 200 нуклонов. Поэтому при численном моделировании ученые анализируют изменение ядерной плотности вместо того, чтобы следить за волновыми функциями каждого отдельного нуклона. 

Автор: Владимир Королёв