Trijų nukleonų sąveika: džiaugsmas archeologams ir kančia fizikams

Kodėl ¹⁴C pusėjimo trukmė (laikas, kurio reikia, kad bandinyje suskiltų pusė esančių branduolių) siekia apie 6 tūkstančius metų, kai tuo tarpu kitų lengvųjų branduolių vos kelias minutes ar tik sekundes?

„Tai kelis dešimtmečius branduolinės fizikos specialistams buvo neįmenama mįslė, – teigia Ajovos valstybinio universiteto (JAV) fizikos ir astronomijos profesorius Džeimsas Varis (James Vary). – Viso to priežastis pasirodė esanti ganėtinai egzotiška“.

Tokią ilgą ¹⁴C pusėjimo trukmę lemia kiekvieno ¹⁴C branduolyje veikiančios stiprios trijų nukleonų (neutrono arba protono) jėgos. Svarbiausios yra vienu metu tarp bet kurių trijų nukleonų veikiančios sąveikos ir jų įtaka ¹⁴C skilimui. Tačiau sumodeliuoti tokį procesą – toli gražu ne juokų darbelis.

Šiuo konkrečiu atveju prireikė apie 30 milijonų procesoriaus darbo valandų „Jaguar“ superkompiuteryje, esančio Ouk Ridžo nacionalinėje laboratorijoje Tenesyje (JAV). Šis superkompiuteris gali atlikti 2.3 kvadrilijonų (10¹⁵) skaičiavimo operacijų per sekundę – tokia sparta, kuomet buvo atliekami ¹⁴C modeliavimo darbai, leido šiam galiūnui atsidurti pirmojoje 500 galingiausių pasaulio superkompiuterių vietoje.

Gauti rezultatai publikuoti žurnale „Physical Review Letters“.

Dž. Varis kartu su kitu Ajovos valstybinio universiteto mokslininku Piteriu Marisu (Pieter Maris) yra pagrindiniai išspausdinto straipsnio autoriai. Prie šių tyrėjų taip pat prisidėjo Kanados nacionalinės dalelių ir branduolinės fizikos laboratorijos Vankuveryje, Lorenco Livermoro nacionalinės laboratorijos Kalifornijoje bei Ouk Ridžo nacionalinės laboratorijos (abi JAV) atstovai.

Dž. Varis, aiškindamas rezultatus, mėgsta priminti, jog dvi subatominės dalelės, turinčios priešingus krūvio ženklus, viena kitą traukia. Tuo tarpu to paties krūvio ženklo dalelės viena kitą stumia. O kas nutinka, kuomet sąveikauja trys dalelės – juk tai skiriasi nuo paprastos sąveikos poromis?

Stipri trijų nukleonų tarpusavio sąveika yra sudėtinga, tačiau ji gerokai pratęsia ¹⁴C atomų skilimo trukmę.

„Visa istorija nepaaiškėja, kol nėra įtraukiamas trijų dalelių tarpusavio jėgos, – pasakoja mokslininkas. – Sudėtingos trijų nukleonų tarpusavio jėgos daug prisideda prie ilgos ¹⁴C pusėjimo trukmės“.

Pasak P. Mariso, trijų dalelių tarpusavio jėgos, veikdamos kartu, panaikina didžiausią įtaką ¹⁴C skilimui darantį porinių jėgų poveikį. Todėl ¹⁴C pusėjimo trukmė išauga daugybę kartų ir anglis – 14 tampa nepakeičiama, nustatinėjant sąlyginai nesenų fosilijų amžių.

Tam, kad gautų šį atsakymą, tyrėjams prireikė sudaryti milijardinių matmenų skaičiavimo matricą ir kompiuterio, galinčio susitvarkyti su 30 trilijonų nenulinių elementų. Taip pat prireikė parašyti kompiuterinę programą, galinčią sumodeliuoti visą ¹⁴C branduolį kartu visomis veikiančiomis trijų nukleonų tarpusavio sąveikomis. Palyginimui teko atlikti atitinkamus skaičiavimus su azotu – 14, kuris yra antrinis ¹⁴C skilimo branduolys. Ir, žinoma, teko išsiaiškinti, kaip visus algoritmus pritaikyti „Jaguar“ superkompiuterio architektūrinėms ypatybėms.

„Tai buvo šešių mėnesių darbas suspaustas į tris mėnesius“, – teigia P. Marisas.

Tačiau tiek užteko, kad branduolinės fizikos specialistai paaiškintų ilgai trunkantį ¹⁴C skilimą. Vis dėlto tyrėjai neketina sustoti.

„Dabar visi žino apie trijų nukleonų tarpusavio jėgas, – sako mokslininkas. – O kaip dėl keturių nukleonų tarpusavio sąveikų? Tai atveria duris naujiems tyrimams“.