碳揭幕:先进的模拟揭示了核的秘密

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中子和质子以三个簇的形式存在于碳核中,每团四个。根据原子核的能量状态,它们可以排列成等边三角形(左)或像略微弯曲的手臂(右)

一项开创性的研究揭示了碳原子核的内部结构,突出了霍伊尔态的重要性,并为核粒子排列提供了新的见解。这项研究为核物理的进一步发现铺平了道路。

碳原子核的内部是什么样子的?密歇根州立大学和波恩大学的Forschungszentrum Jülich最近的一项研究为这个问题提供了第一个全面的答案。

在这项研究中,研究人员模拟了原子核所有已知的能量状态。其中包括令人费解的霍伊尔州。如果它不存在,碳和氧将只以微小的痕迹存在于宇宙中。因此,归根结底,我们也要归功于它自己的存在。该研究发表在《自然通讯》杂志上。

 

细胞核的组成和动力学

碳原子的原子核通常由六个质子和六个中子组成。但它们究竟是如何安排的呢?当原子核受到高能辐射轰击时,它们的构型如何变化?几十年来,科学一直在寻找这些问题的答案。尤其是因为它们可以为一个长期困扰物理学家的谜团提供钥匙:为什么太空中会有大量的碳——没有这个原子,地球上就不会有生命?

宇宙的元素演化
毕竟,在大爆炸后不久,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。所有较重的元素都是在数十亿年后由老化的恒星产生的。在它们中,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。

“但实际上这种情况不太可能发生,”波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究所和Forschungszentrum Jülich高级模拟研究所的Ulf Meißner教授博士解释说。原因是:氦核加在一起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:就好像三个人想跳上旋转木马。但由于它们的运行速度比旋转木马快得多,因此它们不会成功。

霍伊尔州:碳形成的关键
早在1950年代,英国天文学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)就因此推测,三个氦核首先聚集在一起,形成一种过渡态。这种“霍伊尔态”的能量与氦原子核非常相似。留在图片中:它是旋转木马的快速旋转版本,因此三名乘客可以轻松跳上。发生这种情况时,旋转木马会减慢到正常速度。

“只有绕道霍伊尔州,恒星才能产生任何可观数量的碳,”Meißner说,他也是波恩大学跨学科研究领域“建模”和“物质”的成员。

先进的仿真技术
大约十年前,他与来自美国的同事Forschungszentrum Jülich和波鸿鲁尔大学一起,首次成功地模拟了霍伊尔州。

“那时我们已经知道碳核的质子和中子是如何在这种状态下排列的,”他解释道。“然而,我们无法肯定地证明这个假设是正确的。

在先进方法的帮助下,研究人员现在已经成功了。这基本上是基于限制:实际上,质子和中子(核子)可以位于太空的任何地方。然而,对于他们的计算,该团队限制了这种自由:“我们将核粒子排列在三维晶格的节点上,”Meißner解释说。因此,我们只允许他们担任某些严格定义的职位。

计算时间:500 万处理器小时
由于这种限制,可以计算核子的运动。由于核粒子根据彼此之间的距离而相互影响不同,因此这项任务非常复杂。研究人员还在起始条件略有不同的情况下运行了数百万次模拟。这使他们能够看到质子和中子最有可能的位置。

“我们对碳核的所有已知能量状态进行了这些计算,”Meißner说。计算是在Forschungszentrum Jülich的JEWELS超级计算机上进行的。它们总共需要大约 500 万个处理器小时,数千个处理器同时工作。

揭示细胞核的结构

结果有效地提供了来自碳核的图像。它们证明了核粒子不是彼此独立存在的。“相反,它们被聚集成两个中子和两个质子的组,”物理学家解释说。这意味着三个氦核在融合形成碳核后仍然可以被检测到。根据能量状态的不同,它们以不同的空间形态存在——要么排列成等腰三角形,要么像略微弯曲的手臂,肩膀、肘关节和手腕各占据一个簇。

对核物理的更广泛影响

这项研究不仅使研究人员能够更好地了解碳核的物理学。Meißner:“我们开发的方法可以很容易地用于模拟其他原子核,并且肯定会带来全新的见解。

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