一项突破性研究揭示了碳原子核的内部结构与核粒子排列形态

碳原子核中的中子和质子是由四个中子和四个质子组成的三个原子团。根据原子核的能量状态，这些中子和质子可以排列成等边三角形（左图），也可以排列成略微弯曲的手臂（右图）。图片来源：Serdar Elhatisari 教授/波恩大学

在这项研究中，研究人员模拟了原子核的所有已知能态。其中包括令人费解的霍伊尔状态。如果不存在霍伊尔状态，碳和氧在宇宙中的存在将微乎其微。因此，我们的存在也归功于它。这项研究发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。

原子核的组成和动力学

碳原子的原子核通常由六个质子和六个中子组成。但它们究竟是如何排列的呢？当原子核受到高能辐射轰击时，它们的构型又是如何变化的呢？几十年来，科学界一直在寻找这些问题的答案。尤其是因为它们可以为物理学家长期困惑的一个谜团提供答案： 为什么太空中会存在大量的碳原子--没有碳原子，地球上就不会有生命？毕竟，宇宙大爆炸后不久，只有氢和氦。氢原子核由一个质子组成，氦原子核由两个质子和两个中子组成。所有更重的元素都是在数十亿年后由衰老的恒星产生的。在这些恒星中，氦核在巨大的压力和极高的温度下融合成碳核。这需要三个氦核融合在一起。

波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究所（Helmholtz Institute of Radiation and Nuclear Physics）和尤利希研究中心高级模拟研究所（Institute for Advanced Simulation at Forschungszentrum Jülich）的乌尔夫-梅斯纳博士（Ulf Meißner）教授解释说："但实际上这种情况不太可能发生。原因何在？氦核的能量比碳核高得多。"

然而，这并不意味着它们特别容易融合，恰恰相反： 这就好比三个人想跳上旋转木马。但由于他们跑得比旋转木马转得快得多，所以难以成功。

霍伊尔状态： 碳形成的关键

因此，早在 20 世纪 50 年代，英国天文学家弗雷德-霍伊尔（Fred Hoyle）就推测，三个氦核首先聚集在一起，形成一种过渡态。这种"霍伊尔态"与氦核的能量非常相似。它就像是旋转速度更快的旋转木马，因此三位乘客可以轻松地跳上去。当发生这种情况时，旋转木马就会减速到正常速度。

梅斯纳是波恩大学跨学科研究领域"建模"和"物质"的成员，他说："只有绕开霍伊尔状态，恒星才能创造出数量可观的碳。"

先进的模拟技术

大约十年前，他与来自美国、尤利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）和波鸿鲁尔大学（Ruhr-Universität Bochum）的同事一起，首次成功模拟了霍伊尔状态。

他解释说："当时我们已经知道碳核的质子和中子在这种状态下是如何排列的。然而，我们并不能肯定地证明这一假设是正确的"。

在一种先进方法的帮助下，研究人员现在成功了。这主要是基于约束： 在现实中，质子和中子--核子--可以位于空间的任何位置。然而，为了进行计算，研究小组限制了这种自由度："我们将核粒子排列在三维晶格的节点上，"Meißner 解释道。"因此，我们只允许它们处于某些严格定义的位置。正是由于这一限制，我们才有可能计算核子的运动。由于核粒子之间的相互影响因距离不同而不同，因此这项工作非常复杂。"

研究人员还在起始条件略有不同的情况下进行了数百万次模拟。这使他们能够看到质子和中子最有可能出现的位置。

"我们对碳原子核的所有已知能态都进行了计算，"Meißner 说。计算是在尤利希研究中心的 JEWELS 超级计算机上进行的。计算总共需要约500万个处理器小时，数千个处理器同时工作。

揭示原子核结构

这些结果有效地提供了碳原子核的图像。它们证明了核粒子并不是独立存在的。"物理学家解释说："相反，它们聚集成每组两个中子和两个质子。这意味着，在三个氦核融合形成碳核之后，仍然可以检测到它们。根据能量状态的不同，它们以不同的空间形式存在--或者排列成一个等腰三角形，或者像一只微微弯曲的手臂，肩部、肘关节和手腕处各占一个核团。"

这项研究不仅让研究人员更好地了解了碳原子核的物理学。梅斯纳表示："我们开发的方法可以很容易地用于模拟其他原子核，肯定会带来全新的见解"。

参考文献 沈世航、Serdar Elhatisari、Timo A. Lähde、Dean Lee、Bing-Nan Lu 和 Ulf-G. Meißner，"碳核中的新兴几何和二元性"，2023 年 5 月 15 日，《自然-通讯》。Meißner，2023 年 5 月 15 日，《自然-通讯》。

DOI: 10.1038/s41467-023-38391-y

编译来源：ScitechDaily