Ydinpotentiaali

Ydinpotentiaali, tai ydinvoima, kuvaa nukleonien eli protonien ja neutronien välisiä vuorovaikutuksia ytimessä sekä ydinreaktioissa esiintyviä voimia. Se on vahvan vuorovaikutuksen residuaalinen, lyhyen kantaman osa, joka mahdollistaa ydinrakenteen, sitoo ydinpartikkelit yhteen ja vaikuttaa sekä ydinreaktioihin että ydinmatterin ominaisuuksiin. Vaikka perusvuorovaikutus kuuluu QCD:hen (kvanttikromodynamiikkaan), ydinpotentiaalit ovat tehokkaita malleja, joiden avulla voidaan kuvata nukleonien vuorovaikutusta suurin piirtein käytännön sovelluksiin.

Ydinpotentiaalien tyypillinen muoto vakiintuu sitovan ja repulsiivisen osan yhdistymänä. Esimerkiksi Yukawa-potentiaali antaa yksinkertaisen, pitkän kantaman vetävän osuuden V(r) ≈ -(g^2/4π) e^{-mπ r} / r, jossa mπ on pionin massa ja r on nukleonien välinen etäisyys. Todellisissa malleissa atomi- ja ydinpakautumaan liittyy lisäksi lyhyen kantaman repulsiota, jotta ydin ei kasaantu. Ydinpotentiaalit kuvaavat näin ollen sekä vetovoimaa että estäviä piirteitä ottaen huomioon, miten vuorovaikutus heikkenee 1–2 femtometrin etäisyyksiltä.

Käytännössä laaditut nucleon-nucleon potentiaalit, kuten Reid93, Argonne V18 ja CD-Bonn, ovat tarkasti sovittuja nucleon-nucleon-scatteringin ja deuteronin ominaisuuksien perusteella. Näitä malleja käytetään laajasti ydinrakenteen ja ydinreaktioiden laskuissa sekä syvällisten systeemien, kuten monen nukleonin yhteisvaikutusten, käsittelyssä Brueckner-tyyppisissä lähestymistavoissa sekä ydinmatterin tilakoostumuksen tutkimuksessa. Kolmen nukleonin voimat ja muut moni-nukleon vaikutukset ovat tärkeitä täydennyksiä, jotka parantavat potentiaalien kykyä kuvailla todellisia järjestelmiä.

Rajoitteet liittyvät vahvaan vuorovaikutukseen liittyvään kompleksisuuteen ja epälineaarisuuteen. Potentiaalit ovat tehokkaita kuvaamaan pubsien vuorovaikutuksia, mutta ne ovat edelleen mallinnuksia, jotka perustuvat kitscheihin ja sovituksiin, eikä ne suoraan perustu QCD:n perusasteikkoihin. Tämä asettaa haasteita ydinmateriaalin monimutkaisessa teoriassa ja laskennassa.