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Une nouvelle méthode d’appariement des fonctions d’onde aide à résoudre les problèmes quantiques à plusieurs corps

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Une nouvelle méthode d’appariement des fonctions d’onde aide à résoudre les problèmes quantiques à plusieurs corps

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Les systèmes en interaction forte jouent un rôle important en physique quantique et en chimie quantique. Les méthodes stochastiques telles que la simulation de Monte Carlo constituent un moyen éprouvé pour étudier de tels systèmes. Cependant, ces méthodes atteignent leurs limites lorsque se produisent des oscillations de signal.

Ce problème a maintenant été résolu par une équipe internationale de chercheurs d’Allemagne, de Turquie, des États-Unis, de Chine, de Corée du Sud et de France en utilisant la nouvelle méthode d’appariement des fonctions d’onde. Par exemple, les masses et les rayons de tous les noyaux jusqu’au groupe numéro 50 ont été calculés à l’aide de cette méthode. Les résultats sont désormais en accord avec les mesures des chercheurs un rapport Dans le magazine nature.

Toute matière sur Terre est constituée de minuscules particules appelées atomes. Chaque atome contient des particules plus petites : des protons, des neutrons et des électrons. Chacune de ces particules suit les règles de la mécanique quantique. La mécanique quantique constitue la base de la théorie quantique à N corps, qui décrit des systèmes contenant de nombreuses particules, tels que les noyaux atomiques.

Une classe de méthodes utilisées par les physiciens nucléaires pour étudier les noyaux atomiques est l’approche fondée sur des principes. Il décrit des systèmes complexes en commençant par une description de leurs composants élémentaires et de leurs interactions. Dans le cas de la physique nucléaire, les composants élémentaires sont les protons et les neutrons. Certaines des questions clés auxquelles les calculs élémentaires peuvent contribuer à répondre concernent les énergies de liaison et les propriétés des noyaux atomiques et la relation entre la structure nucléaire et les interactions fondamentales entre protons et neutrons.

Cependant, ces méthodes primitives ont des difficultés à effectuer des calculs fiables pour des systèmes aux interactions complexes. L’une de ces méthodes est la simulation quantique de Monte Carlo. Ici, les quantités sont calculées à l’aide de processus stochastiques ou stochastiques.

Bien que les simulations quantiques de Monte Carlo puissent être efficaces et puissantes, elles souffrent d’une faiblesse majeure : le problème des signes. Cela se produit dans les opérations avec des poids positifs et négatifs qui s’annulent. Cette annulation conduit à des prédictions finales inexactes.

La nouvelle approche, connue sous le nom de correspondance de fonctions d’onde, vise à aider à résoudre ces problèmes de calcul pour les méthodes élémentaires.

« Ce problème est résolu par la nouvelle méthode d’appariement des fonctions d’onde en mappant le problème complexe à une première approximation d’un système modèle simple qui ne présente pas de telles oscillations de signal, puis en abordant les différences dans la théorie des perturbations », explique le professeur Ulf-Gee. Meissner est membre de l’Institut Helmholtz de physique des rayonnements et nucléaires de l’Université de Bonn, ainsi que de l’Institut de physique nucléaire et du Centre de simulation et d’analyse avancées du Forschungszentrum Jülich.

« Par exemple, les masses et les rayons de tous les noyaux jusqu’au groupe numéro 50 ont été calculés et les résultats concordent avec les mesures », explique Meissner, qui est également membre des domaines de recherche interdisciplinaires Modélisation et Matériaux à Harvard. Université de Bonn.

« Dans la théorie quantique à N corps, nous rencontrons souvent une situation dans laquelle nous pouvons effectuer des calculs en utilisant une simple interaction approximative, mais les interactions de haute précision du monde réel provoquent de graves problèmes de calcul », explique Dean Lee, professeur de physique à l’Université Rare. Centre de recherche. Istope Beams et le Département de physique et d’astronomie (FRIB) de la Michigan State University et directeur du Département des sciences nucléaires théoriques.

La correspondance des fonctions d’onde résout ce problème en supprimant la partie à courte distance de l’interaction de haute précision et en la remplaçant par la partie à courte distance d’une interaction facilement calculable. Cette transformation est effectuée de manière à préserver toutes les propriétés importantes de l’interaction originale du monde réel.

Étant donné que les nouvelles fonctions d’onde ressemblent à celles de l’interaction facilement calculable, les chercheurs peuvent désormais effectuer des calculs en utilisant l’interaction facilement calculable et appliquer une procédure standard pour traiter les petites corrections – appelée théorie des perturbations.

L’équipe de recherche a appliqué cette nouvelle méthode aux simulations quantiques de Monte Carlo de noyaux légers, de noyaux de masse moyenne, de matière neutronique et de matière nucléaire. Grâce à des calculs minutieux à partir de zéro, les résultats correspondent étroitement aux données réelles sur les propriétés nucléaires telles que la taille, la structure et l’énergie de liaison. Des calculs qui étaient auparavant impossibles en raison du problème de signe peuvent désormais être effectués grâce à l’appariement de fonctions d’onde.

Alors que l’équipe de recherche s’est concentrée exclusivement sur les simulations quantiques de Monte Carlo, l’appariement des fonctions d’onde devrait être utile pour de nombreuses approches fondées sur des principes différents. « Cette méthode peut être utilisée à la fois en informatique classique et quantique, par exemple, pour mieux prédire les propriétés des matériaux dits topologiques, qui sont importants pour l’informatique quantique », explique Meissner.

Le premier auteur est le professeur Serdar Al-Hatisari, qui a travaillé pendant deux ans en tant que membre de la bourse ERC Advanced EXOTIC du professeur Meissner. Selon Meissner, une grande partie du travail a été réalisée à cette époque. Une partie du temps de calcul des supercalculateurs du Forschungszentrum Jülich a été assurée par l’Institut IAS-4, dirigé par Meissner.

Plus d’information:
Sardar Hattisari et al., Correspondance de fonctions d’onde pour résoudre des problèmes quantiques à plusieurs corps, nature (2024). est ce que je: 10.1038/s41586-024-07422-z

Informations sur les magazines :
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Un concept de fusée à plasma pulsé financé par la NASA vise à envoyer des astronautes sur Mars d’ici deux mois

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Un concept de fusée à plasma pulsé financé par la NASA vise à envoyer des astronautes sur Mars d’ici deux mois

Un système de fusée innovant pourrait révolutionner les futures missions spatiales lointaines vers Mars, en réduisant leur nombre temps de voyage Sur la Planète Rouge pour quelques mois seulement.

L’objectif de faire atterrir des humains sur Mars a présenté une myriade de défis, notamment la nécessité de transporter rapidement de grosses charges utiles vers et depuis la planète lointaine, ce qui, selon l’emplacement de la Terre et de Mars, prendrait environ deux ans pour un aller-retour en utilisant technologie de propulsion actuelle.

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Les scientifiques pensent avoir découvert la source des « circuits radio individuels »

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Les scientifiques pensent avoir découvert la source des « circuits radio individuels »

Au cours des cinq dernières années, les astronomes ont découvert un nouveau type de phénomène astronomique qui existe à grande échelle, plus grande que des galaxies entières. Appelés ORC (circuits radio individuels), ils ressemblent à des anneaux géants d’ondes radio s’étendant vers l’extérieur comme une onde de choc.

Jusqu’à présent, les ORC n’ont jamais été observés à d’autres longueurs d’onde que la radio, mais selon une nouvelle… papier Libérés le 30 avril 2024, les astronomes ont capturé pour la première fois des rayons X associés à ORC.

Cette découverte fournit de nouveaux indices sur ce qui pourrait se cacher derrière la création de l’ORC.

Alors que de nombreux événements astronomiques, tels que les explosions de supernova, peuvent laisser des restes circulaires, les ORC semblent nécessiter une explication différente.

« L’énergie nécessaire pour produire une émission radio aussi étendue est très puissante », a déclaré Israa Bulbul, auteur principal de la nouvelle recherche. « Certaines simulations peuvent reproduire leurs formes mais pas leurs densités. Aucune simulation n’explique comment les ORC sont créés. »

Les ORC peuvent être difficiles à étudier, en partie parce qu’ils ne sont généralement visibles qu’aux longueurs d’onde radio. Ils n’ont jamais été associés à des émissions de rayons X ou d’infrarouges, et il n’y a aucun signe d’eux aux longueurs d’onde optiques.

Parfois, les ORC entourent une galaxie visible, mais pas toujours (huit ont été découverts jusqu’à présent autour de galaxies elliptiques connues).

À l’aide du télescope XMM-Newton de l’ESA, Bulbul et son équipe ont observé l’un des ORC connus les plus proches, un objet appelé Cloverleaf, et ont découvert une composante de rayons X frappante de cet objet.

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Cette image multi-longueurs d’onde de l’ORC Cloverleaf (circuit radio unique) combine les observations de lumière visible de l’ancienne enquête DESI (Dark Energy Spectral Analyser) en blanc et jaune, les rayons X de XMM-Newton en bleu et la radio d’ASKAP (Australien). Carré) Matrice de kilomètres Pathfinder) en rouge. (X. Zhang et M. Kluge/MPE/B. Koribalski/CSIRO)

« C’est la première fois que quelqu’un voit l’émission de rayons X associée à un ORC », a déclaré Bulbul. « C’était la clé manquante pour percer le secret de la Formation Cloverleaf. »

Une radiographie d’une feuille de trèfle montre un gaz qui a été chauffé et déplacé par un processus. Dans ce cas, les émissions de rayons X révèlent deux amas de galaxies (environ une douzaine de galaxies au total) qui ont commencé à fusionner à l’intérieur de la feuille de trèfle, chauffant le gaz à 15 millions de degrés Fahrenheit.

Les fusions chaotiques de galaxies sont intéressantes, mais elles ne peuvent pas expliquer à elles seules une feuille de trèfle. Les fusions de galaxies se produisent dans tout l’univers, tandis que les ORC sont un phénomène rare. Il y a quelque chose d’unique qui se passe pour créer quelque chose comme Cloverleaf.

« Les processus de fusion constituent l’épine dorsale de la formation de la structure, mais il y a quelque chose de spécial dans ce système qui déclenche l’émission radio », a déclaré Bulbul. « Nous ne pouvons pas savoir de quoi il s’agit pour l’instant, nous avons donc besoin de données plus nombreuses et plus approfondies provenant à la fois des radiotélescopes et des télescopes à rayons X. »

Cela ne veut pas dire que les astronomes n’ont aucune idée.

« Un aperçu fascinant du signal radio puissant est que les trous noirs supermassifs résidents ont connu des épisodes d’activité intense dans le passé et que les électrons restants de cette activité ancienne ont été réaccélérés par cet événement de fusion », a déclaré Kim Weaver, scientifique du projet de la NASA, à XMM. -Newton.

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En d’autres termes, les ORC comme Cloverleaf peuvent nécessiter une histoire d’origine en deux parties : de puissantes émissions provenant de trous noirs actifs et supermassifs, suivies d’ondes de choc de fusion de galaxies qui donnent un deuxième coup de pouce à ces émissions.

Cet article a été initialement publié par L’univers aujourd’hui. est en train de lire Article original.

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Pratique de l’équipe Lava World Away : l’équipe scientifique VERITAS de la NASA étudie l’Islande volcanique

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Pratique de l’équipe Lava World Away : l’équipe scientifique VERITAS de la NASA étudie l’Islande volcanique

Un exemple de données radar aéroportées du DLR montre un changement d’altitude de plusieurs dizaines de mètres autour du volcan volcaniquement actif Litli-Hrútur causé par la formation de nouvelles roches. Le rouge indique la plus grande quantité de changement ; Bleu, au moins. Crédits : DLR

Avec sa pression atmosphérique écrasante, ses nuages ​​d’acide sulfurique et sa température de surface torride, Vénus est un endroit particulièrement difficile à étudier. Mais les scientifiques savent que l’observation de sa surface peut fournir des informations clés sur l’habitabilité et l’évolution de planètes rocheuses comme la nôtre. Ainsi, pour avoir une perspective globale sur Vénus tout en restant au-dessus de son atmosphère infernale, la mission VERITAS (Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy) de la NASA devrait être lancée d’ici une décennie pour étudier la surface de la planète depuis l’orbite et découvrir des preuves. . À propos de sa nature intérieure.

Pour jeter les bases de la mission, les membres internationaux Vérité, honnêteté L’équipe scientifique s’est rendue en Islande pour une expédition de deux semaines en août afin d’utiliser l’île volcanique comme substitut ou analogue de Vénus. Les emplacements sur notre planète sont souvent utilisés comme analogies avec d’autres planètes, notamment pour aider à mettre en place des technologies et des technologies destinées à des environnements peu attractifs.

« L’Islande est un pays volcanique situé au sommet d’un panache chaud. Vénus est une planète volcanique et possède de nombreuses preuves géologiques de panaches actifs », a déclaré Susan Smrekar, chercheuse scientifique principale au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud et chercheuse principale au sein du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Veritas. « Cela fait de l’Islande un excellent endroit pour étudier Vénus sur Terre, aidant ainsi l’équipe scientifique à se préparer pour Vénus. »

La mission Veritas s’appuiera sur un radar avancé à synthèse d’ouverture pour créer des cartes globales 3D et une spectroscopie proche infrarouge afin de distinguer les principaux types de roches à la surface de Vénus. Mais pour mieux comprendre ce que le radar du vaisseau spatial verra sur la planète, l’équipe scientifique de Veritas devra comparer les observations radar du terrain islandais depuis les airs avec les mesures prises au sol.

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De l’air au sol

Au cours de la première moitié de la campagne, l’équipe scientifique de Veritas a étudié les gisements volcaniques d’Askja et Champ de lave d’Holohraun Dans les hautes terres islandaises, zone active caractérisée par de petits rochers et de jeunes coulées de lave. En seconde période, ils se sont rendus à l’activité volcanique Région de Fagradalsfjall Sur la péninsule de Reykjanes, au sud-ouest de l’Islande. Le paysage aride et rocheux ressemble à la surface de Vénus, qui aurait été rajeunie par des volcans actifs.

Dix-neuf scientifiques des États-Unis, d’Allemagne, d’Italie et d’Islande ont campé et travaillé de longues heures pour étudier la rugosité de la surface et d’autres propriétés des roches dans ces régions, ainsi que pour collecter des échantillons de laboratoire. Pendant ce temps, des vols dirigés par le Centre aérospatial allemand (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, ou DLR) collectaient des données radar d’en haut.

Les membres de l’équipe scientifique VERITAS descendent une falaise sur une nouvelle roche formée par une récente coulée de lave lors de leur expédition sur le terrain en Islande début août. L’équipe a utilisé le paysage volcanique comme analogue de Vénus pour tester les techniques et la technologie radar. Source de l’image : NASA/JPL-Caltech

« L’équipe scientifique dirigée par le JPL travaillait sur le terrain pendant que nos partenaires du Centre aérospatial allemand survolaient les lieux pour collecter des images radar aériennes des sites que nous étudiions », a déclaré Daniel Nunes, scientifique adjoint du projet Veritas au JPL et responsable de l’Islande. planification de campagne. « La luminosité radar d’une surface est liée aux propriétés de cette surface, notamment sa texture, sa rugosité et sa teneur en eau. Nous avons collecté des informations sur le terrain pour vérifier les données radar que nous utiliserons pour informer la science sur ce que VERITAS fera sur Vénus. « 

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Alors qu’il pilotait un avion Dornier 228-212 du Centre aérospatial allemand (DLR) à une altitude d’environ 20 000 pieds (6 000 m) au-dessus du sol, un radar à synthèse d’ouverture en bande S (ondes radio d’une longueur d’onde d’environ 12 centimètres, ou 4,7 pouces) collectés) et la plage X (environ 3 centimètres (ou 1,2 pouces)) des données. La longueur d’onde plus courte des données en bande X – la fréquence radio utilisée par VERITAS – permet l’utilisation d’une antenne plus compacte que la bande S, utilisée par la mission Magellan de la NASA pour cartographier la quasi-totalité de la surface de Vénus au début des années 1990.

En observant la surface dans les deux chaînes d’Islande, l’équipe scientifique améliorera les algorithmes informatiques qui aideront Veritas à déterminer les changements de surface sur Vénus survenus depuis la mission Magellan. La détection des changements survenus au cours des 40 dernières années leur permettra d’identifier les principales zones d’activité géologique (telles que les volcans actifs) sur Vénus.

Les membres de l’équipe scientifique internationale VERITAS se préparent à imager des roches en Islande avec LIDAR (Light Detection and Ranging). Les mesures LiDAR de terrains rocheux peuvent fournir des informations sur le matériau. Source de l’image : NASA/JPL-Caltech

L’objectif principal de la campagne était également de créer une bibliothèque de modèles d’autant de tissus volcaniques de surface en Islande que possible afin de mieux comprendre l’éventail des modèles d’éruption sur Vénus. Une équipe de terrain du Centre aérospatial allemand (DLR) a également collecté des informations sur la composition à l’aide d’une caméra simulant l’instrument Venus Emission Mapper (VEM) que le DLR est en train de construire pour VERITAS. Ces données soutiendront la bibliothèque spectrale en cours de construction au Laboratoire de spectroscopie planétaire de Berlin.

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« Les diverses caractéristiques et caractéristiques de la surface observées sur Vénus sont liées aux processus volcaniques, qui sont liés à l’intérieur de Vénus », a déclaré Smrekar. « Ces données seront précieuses pour VERITAS pour nous aider à mieux comprendre Vénus. Elles aideront également la mission EnVision de l’ESA, qui étudiera la surface de Vénus à l’aide d’un radar en bande S, ainsi que la communauté dans son ensemble qui souhaite comprendre les observations radar des planètes volcaniques. surfaces. »

Mais Nunes a déclaré que la valeur de la campagne islandaise de deux semaines allait au-delà de la science, offrant une opportunité de consolidation d’équipe qui trouvera un écho dans les années à venir. « C’était une belle dynamique », a-t-il ajouté. « Nous avons travaillé dur et nous nous sommes entraidés, qu’il s’agisse d’emprunter du matériel, de nous rendre sur les sites d’étude ou d’acheter des fournitures, tout le monde s’est mobilisé pour y parvenir.

À l’aide d’un scanner lidar monté sur un trépied, l’équipe scientifique a créé cette image qui met en évidence la texture rocheuse de nouvelles roches formées à partir d’une récente coulée de lave près du volcan Litli-Hrútur en Islande. Ceci sera utilisé pour comparer avec les images radar aéroportées de la même zone. Source : NASA/JPL-Caltech

En savoir plus sur la mission

La mission VERITAS et la mission 2021 Deep Venus Atmospheric Investigation of Noble Gases, Chemistry, and Imaging (DAVINCI) de la NASA dans le cadre du programme d’exploration de la NASA ont été sélectionnées comme les deux prochaines missions de l’agence vers Vénus. Les partenaires de VERITAS comprennent Lockheed Martin Space, l’Agence spatiale italienne, le DLR et le Centre national d’études spatiales en France. Le programme Discovery est géré par le bureau du programme des missions planétaires du Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, pour la division des sciences planétaires de la direction des missions scientifiques de la NASA à Washington.

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