Skyrme-Hartree-Fock-Bogoliubov mass models on a 3D mesh: V. The N2LO extension of the Skyrme EDF
Este artigo apresenta o BSkG5, o primeiro modelo de estrutura nuclear de larga escala baseado em um funcional de densidade de energia Skyrme de próxima ordem (N2LO), que alcança alta precisão na previsão de massas nucleares, raios de carga e barreiras de fissão, mantendo uma equação de estado da matéria de nêutrons consistente com observações de estrelas de nêutrons, tudo com menos parâmetros do que modelos anteriores.
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O universo é construído a partir de uma vasta coleção de núcleos atômicos minúsculos e pesados, que se situam no coração de cada átomo. Embora possamos ver os efeitos desses núcleos nas estrelas e na matéria ao nosso redor, não podemos ver os próprios núcleos diretamente. Para entender como eles se mantêm unidos, como se quebram ou como se comportam sob a pressão esmagadora de uma estrela em colapso, os cientistas dependem de mapas teóricos. Esses mapas não são desenhados com tinta e papel, mas com regras matemáticas que descrevem as forças invisíveis entre prótons e nêutrons. Os mapas mais bem-sucedidos até agora foram construídos sobre uma estrutura chamada funcional de densidade de energia de Skyrme. Pense nesta estrutura como um conjunto de instruções que diz a um computador como calcular a energia de um núcleo com base em como suas partículas estão arranjadas. Por décadas, essas instruções foram boas o suficiente para prever o peso de muitos átomos conhecidos, mas tiveram dificuldade em explicar os ambientes mais extremos do cosmos, como os interiores de estrelas de nêutrons, onde a matéria é compactada tão densamente que uma única colher de chá pesaria bilhões de toneladas.
Uma equipe de pesquisadores da Bélgica, Alemanha e França atualizou essas instruções com um conjunto de regras mais sofisticado, criando um novo modelo chamado BSkG5. Este modelo é a primeira tentativa em larga escala de aplicar uma abordagem de "ordem próxima à próxima ordem principal" ao problema. Em termos mais simples, enquanto as versões anteriores do mapa usavam um conjunto básico de regras para descrever como as partículas interagem, esta nova versão adiciona camadas de complexidade que levam em conta como as partículas se movem e mudam de forma em detalhes muito mais finos. Os pesquisadores não apenas ajustaram os números; eles mudaram fundamentalmente a estrutura das equações para incluir termos que descrevem interações envolvendo até quatro camadas diferentes de movimento. Isso permitiu que construíssem um modelo que é tão preciso quanto as melhores versões anteriores ao prever os pesos de átomos conhecidos, mas com uma diferença crucial: ele também descreve corretamente o comportamento da matéria dentro de estrelas de nêutrons.
O desafio enfrentado pela equipe foi que as regras antigas funcionavam bem para átomos na Terra, mas falhavam quando aplicadas à matéria densa de uma estrela de nêutrons. Tentativas anteriores de corrigir isso envolveram a adição de termos extras, um tanto estranhos, às equações, o que tornava a matemática difícil de manipular e, por vezes, levava a resultados instáveis. O novo modelo BSkG5 resolve isso usando as regras mais complexas e de ordem superior para alcançar a mesma estabilidade e precisão sem a necessidade desses termos extras estranhos. Na verdade, o novo modelo é mais eficiente, utilizando dois números ajustáveis a menos do que seu predecessor imediato, mantendo-se ao mesmo tempo fiel aos dados experimentais com alta precisão. Ao ser testado contra as massas conhecidas de 2.457 núcleos atômicos diferentes, as previsões do modelo apresentaram um desvio de raiz quadrada média de 0,649 MeV, um nível de precisão que rivaliza com as melhores ferramentas existentes. Ele também previu corretamente os tamanhos dos núcleos atômicos e a energia necessária para dividir átomos pesados, o que é vital para entender a fissão nuclear.
Talvez a conquista mais significativa deste trabalho seja como ele faz a ponte entre o mundo minúsculo do núcleo atômico e o mundo massivo da estrela de nêutrons. Os pesquisadores descobriram que seu novo modelo produz uma equação de estado "rígida" para a matéria de nêutrons pura. Na física, isso significa que, conforme você comprime a matéria de nêutrons, ela resiste à compressão com uma força capaz de sustentar uma estrela de nêutrons com uma massa duas vezes superior à do nosso Sol. Este é um requisito crítico porque astrônomos observaram estrelas de nêutrons com exatamente essa massa, e modelos antigos frequentemente previam que estrelas tão pesadas colapsariam sob sua própria gravidade. O novo modelo alcança isso sem quebrar as leis da física ou exigir velocidades impossíveis para ondas sonoras viajando através da estrela. Ele reconcilia com sucesso a necessidade de uma estrela pesada e estável com a necessidade de uma descrição precisa dos átomos mais leves, um feito que modelos anteriores não conseguiam realizar simultaneamente.
Para garantir que o modelo fosse robusto, a equipe o testou em cenários extremos além do simples cálculo do peso de um átomo. Eles simularam como um núcleo pesado como o chumbo-208 vibra ao ser atingido por luz de alta energia e calcularam como um núcleo distorcido e em rotação rápida se comportaria. Em ambos os casos, o modelo permaneceu estável e produziu resultados fisicamente razoáveis, mostrando que as novas regras complexas não fazem com que os cálculos entrem em colapso. Eles também usaram o modelo para simular a criação de elementos pesados durante a colisão de duas estrelas de nêutrons, um processo conhecido como processo r. Os resultados mostraram que o novo modelo prevê a abundância de elementos no universo de uma forma muito semelhante aos modelos antigos, sugerindo que as novas regras não perturbam nossa compreensão de como o cosmos é preenchido com metais pesados como ouro e urânio.
O trabalho representa uma demonstração prática de que estas formas matemáticas altamente complexas podem ser usadas para cálculos do mundo real envolvendo milhares de átomos diferentes e condições astrofísicas extremas. Embora o modelo não seja perfeito — ainda apresenta certa dificuldade com o momento angular preciso de certos núcleos ímpares — ele prova que o caminho a seguir para a teoria nuclear reside nestas descrições mais detalhadas e de ordem superior. Os pesquisadores observam que seu modelo leva naturalmente a uma descrição de como as partículas se movem, que muda com a temperatura e a densidade, uma característica que anteriormente só era encontrada em tipos de modelos mais complicados. Isso abre as portas para estudos futuros sobre como a matéria se comporta nos ambientes quentes e densos de estrelas em explosão e colisões de estrelas de nêutrons. Ao refinar o mapa do núcleo atômico, a equipe forneceu uma ferramenta que é precisa o suficiente para a física de laboratório e robusta o suficiente para descrever os objetos mais extremos do universo.
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