原子迷宫：科学家解密碳-12原子核的复杂结构

一项国际研究揭示了碳-12原子核内的三角形团簇结构，为我们了解宇宙中碳的起源和丰度提供了重要线索。

碳元素对我们所知的有机化学和生命至关重要。其最常见的同位素碳-12 的物理特性极其复杂。许多实验和理论研究都致力于确定碳-12 核状态的能量和基本结构。

在这项工作中，研究人员从第一原理--物理学理论的最基本组成部分--计算出了这些状态。这种方法利用超级计算机和核晶格模拟计算组成原子核的质子和中子所形成的三维形状。结果表明，碳-12 的所有低能态都有一个子结构，即六个质子和六个中子聚集成α粒子。α粒子是氦-4原子核，包含两个质子和两个中子。

碳-12 几种低洼态的核子密度。每个图像都标有自旋（0 至 3）、奇偶反转下的符号（+ 或 -）以及激发数（1 至 3）。资料来源：沈世航

霍伊尔状态： 恒星碳生成的窗口

碳-12 的一个著名核态是霍伊尔态。这种状态的能量接近三个α粒子或氦核的能量阈值。因此，这种能量极大地促进了氦燃烧恒星中碳的产生。这有助于解释宇宙中存在碳的原因。

这项研究的结果表明，霍伊尔态是由α粒子的"弯臂"或钝三角形排列组成的。碳-12 的所有低能态都具有由三个α粒子组成等边三角形或钝角三角形的固有形状。新结果提供了有关核状态可能几何形状的信息。

全球合作，揭示碳-12 的核结构

碳原子是构成生命基石的复杂有机化学的骨架。碳原子主要同位素碳-12 的核物理学也充满了复杂性。来自波恩大学、德国尤利希研究中心、土耳其加济安泰普伊斯兰科技大学、中国工程物理研究院研究生院、第比利斯国立大学和密歇根州立大学稀有同位素光束设施的研究人员利用核晶格有效场理论的 ab initio 框架计算了碳-12 的核态结构。

碳-12 的几何奥秘和宇宙起源

研究发现，碳-12 的所有低洼态都有一个内在形状，由三个α簇构成一个等边三角形或一个钝角三角形。等边三角形态还具有均场图中粒子-空穴激发的双重描述。

结果与实验数据一致，并首次提供了与模型无关的碳-12 核态密度图。这些结果有助于解释宇宙大爆炸后不久碳从氦和氢中起源的原因。

编译来源：ScitechDaily