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物理學家終于揭開β衰變謎題!
發布時間:2019-05-31
 

一項包括能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)科學家在內的國際合作解開了一個50年前的謎題,這個謎題解釋了為什么原子核的衰變比自由中子衰變的速度要慢。發表在《自然物理》期刊上的這一發現,填補了物理學家對β衰變理解上的一個長期空白。

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β衰變是恒星產生重元素的一個重要過程,強調在預測某些核反應過程時,需要考慮一些微妙的影響,或者更現實的物理因素。ORNL工作人員、領導這項研究的科學家高特哈根(Gaute Hagen)說:幾十年來,科學家們對核衰變缺乏基本的了解,在這種衰變中,質子轉化為中子,或者中子轉化為質子,形成其他元素。

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博科園-科學科普:研究團隊證明,理論模型和計算已經發展到能夠以足夠的精度計算出一些衰變特性,以便與實驗進行直接比較的地步。為了解決這個問題,研究小組模擬了錫-100衰變為元素周期表上相鄰的元素銦-100。這兩種元素擁有相同數量的核子(質子和中子),其中錫-100擁有50個質子,而銦-100擁有49個質子。精確地計算衰變不僅需要精確地模擬母核和子核的結構,而且還需要考慮兩個核子在過渡過程中的相互作用。由于強核關聯和涉及衰變核子的相互作用結合,這種附加處理提出了一個極端的計算挑戰。

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  • 第一原理計算表明,與自由中子衰變相比,兩個核子之間的強相關性和相互作用減緩了原子核中的衰變。這影響了重元素的合成和尋找無中微子雙衰變。圖片:Andy Sproles/ORNL

在過去,核物理學家通過插入一個基本常數來解決這個問題,以協調觀察到原子核內外中子的衰變率,這種做法被稱為“淬火”。但是有了像ORNL泰坦超級計算機這樣的機器,哈根的團隊證明了這種數學拐杖不再是必要。ORNL計算科學家古斯塔夫·詹森說:沒有人真正理解為什么這種猝滅因子會起作用,我們發現這在很大程度上可以通過在衰變中包含兩個核子來解釋——例如,兩個質子衰變為一個質子和一個中子,或者一個質子和一個中子衰變為兩個中子。這個團隊包括來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、田納西大學、華盛頓大學、加拿大凱凱夫大學和德國達姆施塔特技術大學的合作伙伴。

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從輕到中重到tin-100的衰變進行了全面研究,這一成就讓核物理學家在尋找宇宙中物質形成的一些最令人困惑謎團的答案時更加自信。除了常規的衰變,科學家們正在尋找計算無中微子雙衰變的方法。雙衰變是一種理論上的核衰變形式,如果被觀測到,它將探索重要的新物理學,并有助于確定中微子的質量。許多元素的同位素會在很長一段時間內衰變。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鐘的時間,然后就會噴射出粒子,試圖穩定下來。在中子衰變中,釋放出一個電子和一個反中微子。當錫-100轉變成銦-100時,原子核經歷-加上衰變,當質子轉化為中子時,會排出正電子和中微子。

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由于它的質子和中子數量相等,tin-100表現出了異常高的衰變率,這給了ORNL團隊一個強有力的信號來驗證結果。此外tin-100原子核具有“雙重衰變”,這意味著核子填滿了原子核內已定義的殼層,使其具有較強的束縛性,結構也相對簡單。ORNL團隊的NUCCOR代碼被編程來解決核多體問題,擅長在核圖表上下描述雙重衰變核。田納西大學和ORNL的研究人員托馬斯·帕彭布洛克(Thomas Papenbrock)說:像tin-100這樣具有雙重衰變的原子核并不像其他許多原子核那么復雜,這意味著可以使用耦合聚類方法可靠地計算它,這種方法通過計算單個核子之間的力來計算大原子核性質。

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然而,為了建立衰變模型,研究小組還必須計算銦-100的結構。銦-100是一種比具有雙重魔力的錫-100更為復雜的原子核。這需要更精確地處理核子之間的強相關性。哈根的團隊借鑒了量子化學中把電子視為波的思想,成功地開發出了模擬這些過程的技術。ORNL的物理學家Titus Morris說:在我們的例子中,處理的是核子而不是電子,但是量子化學的概念已經幫助我們從雙重衰變核分支出來,擴展到這些開殼層區域。

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現在研究團隊已經證明了β衰變的理解與實驗相當,希望利用像ORNL Summit這樣的新型超級計算機來指導當前和未來的實驗。研究人員目前正在使用Summit來模擬鈣-48,另一個具有雙重衰變的原子核,將如何經歷無中子雙衰變過程——兩個中子衰變為質子,但不釋放任何中微子。這些結果可以幫助實驗人員選擇一種最優的探測材料來發現這一罕見現象。目前,使用不同的無中子雙衰變核模型進行的計算可能相差多達六倍,目標是為其他模型和理論提供一個基準。

物理學家終于揭開β衰變謎題!

博科園-科學科普|研究/來自: 橡樹嶺國家實驗室

參考期刊文獻:《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-019-0450-7

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