一項突破性研究揭示了碳原子核的內部結構與核粒子排列形態
碳原子核內部是什麼樣子的？尤利希研究中心、密歇根州立大學和波恩大學最近的一項研究首次全面回答了這一問題。一項突破性研究揭示了碳原子核的內部結構，突出了霍伊爾態的重要性，並提供了對核粒子排列的新見解。這項研究爲核物理的進一步發現鋪平了道路。
碳原子核中的中子和質子是由四個中子和四個質子組成的三個原子團。根據原子核的能量狀態，這些中子和質子可以排列成等邊三角形（左圖），也可以排列成略微彎曲的手臂（右圖）。圖片來源：Serdar Elhatisari 教授/波恩大學
在這項研究中，研究人員模擬了原子核的所有已知能態。其中包括令人費解的霍伊爾狀態。如果不存在霍伊爾狀態，碳和氧在宇宙中的存在將微乎其微。因此，我們的存在也歸功於它。這項研究發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上。
原子核的組成和動力學
碳原子的原子核通常由六個質子和六個中子組成。但它們究竟是如何排列的呢？當原子核受到高能輻射轟擊時，它們的構型又是如何變化的呢？幾十年來，科學界一直在尋找這些問題的答案。尤其是因爲它們可以爲物理學家長期困惑的一個謎團提供答案： 爲什麼太空中會存在大量的碳原子--沒有碳原子，地球上就不會有生命？畢竟，宇宙大爆炸後不久，只有氫和氦。氫原子核由一個質子組成，氦原子核由兩個質子和兩個中子組成。所有更重的元素都是在數十億年後由衰老的恆星產生的。在這些恆星中，氦核在巨大的壓力和極高的溫度下融合成碳核。這需要三個氦核融合在一起。
波恩大學亥姆霍茲輻射與核物理研究所（Helmholtz Institute of Radiation and Nuclear Physics）和尤利希研究中心高級模擬研究所（Institute for Advanced Simulation at Forschungszentrum Jülich）的烏爾夫-梅斯納博士（Ulf Meißner）教授解釋說："但實際上這種情況不太可能發生。原因何在？氦核的能量比碳核高得多。"
然而，這並不意味着它們特別容易融合，恰恰相反： 這就好比三個人想跳上旋轉木馬。但由於他們跑得比旋轉木馬轉得快得多，所以難以成功。
霍伊爾狀態： 碳形成的關鍵
因此，早在 20 世紀 50 年代，英國天文學家弗雷德-霍伊爾（Fred Hoyle）就推測，三個氦核首先聚集在一起，形成一種過渡態。這種"霍伊爾態"與氦核的能量非常相似。它就像是旋轉速度更快的旋轉木馬，因此三位乘客可以輕鬆地跳上去。當發生這種情況時，旋轉木馬就會減速到正常速度。
梅斯納是波恩大學跨學科研究領域"建模"和"物質"的成員，他說："只有繞開霍伊爾狀態，恆星才能創造出數量可觀的碳。"
先進的模擬技術
大約十年前，他與來自美國、尤利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）和波鴻魯爾大學（Ruhr-Universität Bochum）的同事一起，首次成功模擬了霍伊爾狀態。
他解釋說："當時我們已經知道碳核的質子和中子在這種狀態下是如何排列的。然而，我們並不能肯定地證明這一假設是正確的"。
在一種先進方法的幫助下，研究人員現在成功了。這主要是基於約束： 在現實中，質子和中子--核子--可以位於空間的任何位置。然而，爲了進行計算，研究小組限制了這種自由度："我們將核粒子排列在三維晶格的節點上，"Meißner 解釋道。"因此，我們只允許它們處於某些嚴格定義的位置。正是由於這一限制，我們纔有可能計算核子的運動。由於核粒子之間的相互影響因距離不同而不同，因此這項工作非常複雜。"
研究人員還在起始條件略有不同的情況下進行了數百萬次模擬。這使他們能夠看到質子和中子最有可能出現的位置。
"我們對碳原子核的所有已知能態都進行了計算，"Meißner 說。計算是在尤利希研究中心的 JEWELS 超級計算機上進行的。計算總共需要約500萬個處理器小時，數千個處理器同時工作。
揭示原子核結構
這些結果有效地提供了碳原子核的圖像。它們證明了核粒子並不是獨立存在的。"物理學家解釋說："相反，它們聚集成每組兩個中子和兩個質子。這意味着，在三個氦核融合形成碳核之後，仍然可以檢測到它們。根據能量狀態的不同，它們以不同的空間形式存在--或者排列成一個等腰三角形，或者像一隻微微彎曲的手臂，肩部、肘關節和手腕處各佔一個核團。"
這項研究不僅讓研究人員更好地瞭解了碳原子核的物理學。梅斯納表示："我們開發的方法可以很容易地用於模擬其他原子核，肯定會帶來全新的見解"。
參考文獻 沈世航、Serdar Elhatisari、Timo A. Lähde、Dean Lee、Bing-Nan Lu 和 Ulf-G. Meißner，"碳核中的新興幾何和二元性"，2023 年 5 月 15 日，《自然-通訊》。Meißner，2023 年 5 月 15 日，《自然-通訊》。
DOI: 10.1038/s41467-023-38391-y
編譯來源：ScitechDaily