Forskare vid Osaka Metropolitan University har genomfört en ovanligt fullständig beräkning av vad som händer när atomkärnor kolliderar i hög hastighet. Resultaten stämde väl överens med experimentella mätningar och kan göra det lättare att bestämma atomkärnors storlek och densitet.
Beräkningarna bygger på Glauberteorin, en etablerad modell för att beskriva kärnreaktioner vid höga energier. Modellen har använts länge, men dess komplexitet har gjort att forskare vanligtvis behöver förenkla beräkningarna.
Den nya studien visar att det går att inkludera samtliga ordningar av de spridningsprocesser som teorin förutsäger.
Atomkärnor undersöks genom kollisioner
Atomkärnor är så små att deras inre struktur inte kan fotograferas med ett vanligt mikroskop. Många exotiska kärnor existerar dessutom bara under mycket kort tid.
Forskare undersöker dem därför indirekt. En atomkärna accelereras mot en annan och partiklarna sprids när kärnorna kolliderar. Genom att jämföra det uppmätta spridningsmönstret med teoretiska beräkningar går det att dra slutsatser om kärnornas egenskaper.
Problemet är att en atomkärna består av protoner och neutroner som kan växelverka med partiklarna i den andra kärnan på många olika sätt. Glauberteorin beskriver kollisionen som en serie sådana spridningar, men antalet möjliga förlopp växer snabbt.
Tidigare analyser har därför ofta byggt på approximationer som minskar behovet av datorkraft.
Monte Carlo-metod inkluderade alla spridningar
Forskargruppen kombinerade realistiska kvantmekaniska modeller av atomkärnornas struktur med omfattande Monte Carlo-beräkningar. Metoden använder ett stort antal slumpmässiga beräkningssteg för att lösa problem som annars skulle vara mycket svåra att hantera.
Forskarna testade metoden på kollisioner som involverade protoner samt helium- och kolkärnor. Beräkningarna tog hänsyn till alla ordningar av multipel spridning inom Glauberteorin.
Resultaten överensstämde väl med tillgängliga experiment, däribland nya högprecisionsmätningar av kollisioner med kol-12. Det tyder på att metoden kan användas som en tillförlitlig referens när data från framtida experiment ska tolkas.
En enklare beräkning kan ändå vara tillräcklig
Den fullständiga beräkningen gjorde det också möjligt att testa hur bra enklare metoder fungerar. Med hjälp av en matematisk metod som kallas kumulantutveckling fann forskarna att de två första termerna låg nära den fullständiga beräkningen.
Det innebär att framtida analyser inte alltid behöver räkna på varje möjlig spridningsprocess. En väl vald approximation kan ge nästan samma resultat med betydligt mindre beräkningsarbete.
Den fullständiga metoden blir samtidigt ett riktmärke som visar när förenklingarna är tillräckliga och när mer detaljerade beräkningar behövs.
”Exakt” gäller inom den använda teorin
Benämningen exakt beräkning betyder inte att forskarna nu känner atomkärnans struktur utan osäkerheter. Beräkningen är fullständig inom Glauberteorins ram, men resultatet påverkas fortfarande av modellens antaganden, beskrivningen av kärnorna och kvaliteten på experimentens mätdata.
Metoden kan ändå bli särskilt värdefull för studier av instabila och exotiska atomkärnor. Där finns ofta begränsade experimentella data, vilket gör tillförlitliga teoretiska modeller extra viktiga.
Publikationsuppgifter
W. Horiuchi m.fl., Glauber-teoretiska beräkningar av observerbara storheter vid högenergisk kärnspridning med hjälp av variationella Monte Carlo-vågfunktioner, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/ppqx-yn59. På arXiv: arxiv.org/abs/2512.20095
W. Horiuchi et al, Glauber-teoretisk analys av kärnreaktioner på ett 12C-mål med variationella Monte Carlo-vågfunktioner, Physical Review C (2026). DOI: 10.1103/gcbk-s7tc. På arXiv: arxiv.org/abs/2512.20100