在原子核中，存在著一種主要的衰變模式——β衰變，這是一個質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子(反之亦然)的過程。它是宇宙中恒星爆炸和重元素合成的微物理過程的核心。
盡管β衰變?nèi)绱酥匾覀冞€沒有完全理解它。在過去的50年中，物理學(xué)家一直被一個問題困擾著：為什么在原子核內(nèi)觀測到的β衰變率比自由中子的β衰變率要小一些?物理學(xué)家一直無法從第一原理出發(fā)找到一個合理的解釋。直到最近，美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的科學(xué)家參與的一項國際合作終于揭開了這個半個世紀(jì)之前的謎題。
為了解決這個問題，研究小組模擬了錫-100衰變?yōu)樗谠刂芷诒砩系南噜徳?mdash;—銦-100的過程。這兩種元素擁有相同數(shù)量的核子(質(zhì)子和中子)，不同的是錫-100擁有50個質(zhì)子，而銦-100擁有49個質(zhì)子。
要精確地計算β衰變不僅需要準(zhǔn)確地模擬母核與子核的結(jié)構(gòu)，還需要考慮兩個核子在轉(zhuǎn)變過程中的相關(guān)的相互作用，這個附加的考量給研究人員帶來了巨大的計算難題。
過去，核物理學(xué)家通過插入一個基本常數(shù)來協(xié)調(diào)觀測到的衰變率之間的差異，這種做法被稱為“熄火”。但研究小組發(fā)現(xiàn)，有了像ORNL的泰坦超級計算機這樣的機器之后，就沒有必要再人為地插入一個數(shù)學(xué)常數(shù)了。
ORNL的計算科學(xué)家Gustav Jansen說：“沒有人真正理解為什么這個熄火因子會起作用。我們發(fā)現(xiàn)，這個問題很大程度可以通過在衰變中包含兩個核子來解釋，比如兩個質(zhì)子衰變成一個質(zhì)子和一個中子，或者一個質(zhì)子和一個中子衰變?yōu)閮蓚€中子。”
許多元素的放射性同位素的衰變會持續(xù)很長一段時間，例如碳-14的半衰期是5730年。但也有其他一些原子核會迅速衰變，在發(fā)射出粒子而變得穩(wěn)定之前，只會存在不到一秒鐘的時間。
中子的β衰變過程會釋放出一個電子和一個反中微子。當(dāng)錫-100轉(zhuǎn)變成銦-100時，原子核經(jīng)歷的是正β衰變，質(zhì)子會轉(zhuǎn)化為中子，同時釋放出一個正電子(電子的反粒子)和一個中微子。
錫-100的質(zhì)子和中子數(shù)量相等，因而會表現(xiàn)出異常高的衰變率，這就為研究小組提供了一個強有力的信號來驗證結(jié)果。此外，錫-100原子核是“雙幻核”，它的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是50這個幻數(shù)，這樣核子在填充原子核內(nèi)已定義的殼層時，會使原子核具有較強的束縛性和相對簡單的結(jié)構(gòu)。研究小組使用一個被稱為NUCCOR的代碼編程解決核的多體問題，這個代碼擅長在核素圖中描述雙幻核。
另一位研究人員Thomas Papenbrock說：“像錫-100這樣的雙幻核并不像其他許多原子核那么復(fù)雜。因此我們就可以使用耦合團簇方法可靠地計算它，這個方法會考慮到單個核子之間的作用力，并據(jù)此計算大型原子核的性質(zhì)。”
然而，為了模擬β衰變，研究小組還必須計算銦-100的結(jié)構(gòu)，這是比錫-100這樣的雙幻核更為復(fù)雜的原子核，因而需要更精確地處理核子之間的強相關(guān)性。研究小組借鑒了量子化學(xué)中將電子當(dāng)作波來處理的想法，最終成功地開發(fā)出了模擬這些過程的技術(shù)。
ORNL的物理學(xué)家Titus Morris說：“在這個例子中，我們處理的是核子而不是電子，但是量子化學(xué)的概念幫助我們走出雙幻核，擴展到具有開放的原子核殼層的區(qū)域。”
與宇宙中的物質(zhì)形成相關(guān)的一些問題是最令人困惑的謎團，而這項成就讓物理學(xué)家在尋找這些問題的答案時更加充滿信心。研究小組已經(jīng)證明，他們對β衰變的理論計算與實驗的精度相當(dāng)，他們希望利用像ORNL的Summit新型超級計算機這樣強大的機器來指導(dǎo)當(dāng)前和未來的實驗。
除了常規(guī)的β衰變，研究人員也想要計算無中微子雙β衰變，在這個過程中，有兩個中子衰變?yōu)橘|(zhì)子，且不釋放任何中微子。如果觀測到這個過程，將開拓出重要的新物理，并有助于確定中微子的質(zhì)量。他們目前正在使用Summit來模擬另一個雙幻核——鈣-48，研究它如何經(jīng)歷無中微子雙β衰變。
ORNL的科學(xué)家Gaute Hagen說：“目前，用來研究無中微子雙β衰變的不同原子核模型之間可能相差六倍之多。我們的目標(biāo)是為其他模型和理論提供一個基準(zhǔn)。”
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