一项包括能源部橡树岭国家实验室(ORNL)科学家在内的国际合作解开了一个50年前的谜题，这个谜题解释了为什么原子核的衰变比自由中子衰变的速度要慢。发表在《自然物理》期刊上的这一发现，填补了物理学家对β衰变理解上的一个长期空白。β衰变是恒星产生重元素的一个重要过程，强调在预测某些核反应过程时，需要考虑一些微妙的影响，或者更现实的物理因素。ORNL工作人员、领导这项研究的科学家高特哈根(Gaute Hagen)说：几十年来，科学家们对核衰变缺乏基本的了解，在这种衰变中，质子转化为中子，或者中子转化为质子，形成其他元素。
博科园-科学科普：研究团队证明，理论模型和计算已经发展到能够以足够的精度计算出一些衰变特性，以便与实验进行直接比较的地步。为了解决这个问题，研究小组模拟了锡-100衰变为元素周期表上相邻的元素铟-100。这两种元素拥有相同数量的核子(质子和中子)，其中锡-100拥有50个质子，而铟-100拥有49个质子。精确地计算衰变不仅需要精确地模拟母核和子核的结构，而且还需要考虑两个核子在过渡过程中的相互作用。由于强核关联和涉及衰变核子的相互作用结合，这种附加处理提出了一个极端的计算挑战。
第一原理计算表明，与自由中子衰变相比，两个核子之间的强相关性和相互作用减缓了原子核中的衰变。这影响了重元素的合成和寻找无中微子双衰变。图片：Andy Sproles/ORNL
在过去，核物理学家通过插入一个基本常数来解决这个问题，以协调观察到原子核内外中子的衰变率，这种做法被称为“淬火”。但是有了像ORNL泰坦超级计算机这样的机器，哈根的团队证明了这种数学拐杖不再是必要。ORNL计算科学家古斯塔夫·詹森说：没有人真正理解为什么这种猝灭因子会起作用，我们发现这在很大程度上可以通过在衰变中包含两个核子来解释——例如，两个质子衰变为一个质子和一个中子，或者一个质子和一个中子衰变为两个中子。这个团队包括来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室、田纳西大学、华盛顿大学、加拿大凯凯夫大学和德国达姆施塔特技术大学的合作伙伴。
从轻到中重到tin-100的衰变进行了全面研究，这一成就让核物理学家在寻找宇宙中物质形成的一些最令人困惑谜团的答案时更加自信。除了常规的衰变，科学家们正在寻找计算无中微子双衰变的方法。双衰变是一种理论上的核衰变形式，如果被观测到，它将探索重要的新物理学，并有助于确定中微子的质量。许多元素的同位素会在很长一段时间内衰变。例如，碳14的半衰期是5730年。然而，其他原子核只存在了不到一秒钟的时间，然后就会喷射出粒子，试图稳定下来。在中子衰变中，释放出一个电子和一个反中微子。当锡-100转变成铟-100时，原子核经历-加上衰变，当质子转化为中子时，会排出正电子和中微子。
由于它的质子和中子数量相等，tin-100表现出了异常高的衰变率，这给了ORNL团队一个强有力的信号来验证结果。此外tin-100原子核具有“双重衰变”，这意味着核子填满了原子核内已定义的壳层，使其具有较强的束缚性，结构也相对简单。ORNL团队的NUCCOR代码被编程来解决核多体问题，擅长在核图表上下描述双重衰变核。田纳西大学和ORNL的研究人员托马斯·帕彭布洛克(Thomas Papenbrock)说：像tin-100这样具有双重衰变的原子核并不像其他许多原子核那么复杂，这意味着可以使用耦合聚类方法可靠地计算它，这种方法通过计算单个核子之间的力来计算大原子核性质。
然而，为了建立衰变模型，研究小组还必须计算铟-100的结构。铟-100是一种比具有双重魔力的锡-100更为复杂的原子核。这需要更精确地处理核子之间的强相关性。哈根的团队借鉴了量子化学中把电子视为波的思想，成功地开发出了模拟这些过程的技术。ORNL的物理学家Titus Morris说：在我们的例子中，处理的是核子而不是电子，但是量子化学的概念已经帮助我们从双重衰变核分支出来，扩展到这些开壳层区域。
现在研究团队已经证明了β衰变的理解与实验相当，希望利用像ORNL Summit这样的新型超级计算机来指导当前和未来的实验。研究人员目前正在使用Summit来模拟钙-48，另一个具有双重衰变的原子核，将如何经历无中子双衰变过程——两个中子衰变为质子，但不释放任何中微子。这些结果可以帮助实验人员选择一种最优的探测材料来发现这一罕见现象。目前，使用不同的无中子双衰变核模型进行的计算可能相差多达六倍，目标是为其他模型和理论提供一个基准。
博科园-科学科普｜研究/来自: 橡树岭国家实验室
参考期刊文献:《Nature Physics》
DOI: 10.1038/s41567-019-0450-7
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