揭开原子核中的衰变之谜

在原子核中，存在着一种主要的衰变模式——β衰变，这是一个质子转化为中子（反之亦然）的过程。它是宇宙中恒星爆炸和重元素合成的微物理过程的核心。

尽管β衰变如此重要，但我们还没有完全理解它。在过去的50年中，物理学家一直被一个问题困扰着：为什么在原子核内观测到的β衰变率比自由中子的β衰变率要小一些？物理学家一直无法从第一原理出发找到一个合理的解释。直到最近，美国橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家参与的一项国际合作终于揭开了这个半个世纪之前的谜题。

为了解决这个问题，研究小组模拟了锡-100衰变为它在元素周期表上的相邻元素——铟-100的过程。这两种元素拥有相同数量的核子（质子和中子），不同的是锡-100拥有50个质子，而铟-100拥有49个质子。

要精确地计算β衰变不仅需要准确地模拟母核与子核的结构，还需要考虑两个核子在转变过程中的相关的相互作用，这个附加的考量给研究人员带来了巨大的计算难题。

过去，核物理学家通过插入一个基本常数来协调观测到的衰变率之间的差异，这种做法被称为“熄火”。但研究小组发现，有了像ORNL的泰坦超级计算机这样的机器之后，就没有必要再人为地插入一个数学常数了。

ORNL的计算科学家Gustav Jansen说：“没有人真正理解为什么这个熄火因子会起作用。我们发现，这个问题很大程度可以通过在衰变中包含两个核子来解释，比如两个质子衰变成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。”

○ 第一原理计算表明，与自由中子里的β衰变相比，原子核中的β衰变会因两个核子之间的强相关性和相互作用而减缓。| 图片来源：Andy Sproles/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy

许多元素的放射性同位素的衰变会持续很长一段时间，例如碳-14的半衰期是5730年。但也有其他一些原子核会迅速衰变，在发射出粒子而变得稳定之前，只会存在不到一秒钟的时间。

中子的β衰变过程会释放出一个电子和一个反中微子。当锡-100转变成铟-100时，原子核经历的是正β衰变，质子会转化为中子，同时释放出一个正电子（电子的反粒子）和一个中微子。

锡-100的质子和中子数量相等，因而会表现出异常高的衰变率，这就为研究小组提供了一个强有力的信号来验证结果。此外，锡-100原子核是“双幻核”，它的质子数和中子数都是50这个幻数，这样核子在填充原子核内已定义的壳层时，会使原子核具有较强的束缚性和相对简单的结构。研究小组使用一个被称为NUCCOR的代码编程解决核的多体问题，这个代码擅长在核素图中描述双幻核。

另一位研究人员Thomas Papenbrock说：“像锡-100这样的双幻核并不像其他许多原子核那么复杂。因此我们就可以使用耦合团簇方法可靠地计算它，这个方法会考虑到单个核子之间的作用力，并据此计算大型原子核的性质。”

然而，为了模拟β衰变，研究小组还必须计算铟-100的结构，这是比锡-100这样的双幻核更为复杂的原子核，因而需要更精确地处理核子之间的强相关性。研究小组借鉴了量子化学中将电子当作波来处理的想法，最终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：“在这个例子中，我们处理的是核子而不是电子，但是量子化学的概念帮助我们走出双幻核，扩展到具有开放的原子核壳层的区域。”

与宇宙中的物质形成相关的一些问题是最令人困惑的谜团，而这项成就让物理学家在寻找这些问题的答案时更加充满信心。研究小组已经证明，他们对β衰变的理论计算与实验的精度相当，他们希望利用像ORNL的Summit新型超级计算机这样强大的机器来指导当前和未来的实验。

除了常规的β衰变，研究人员也想要计算无中微子双β衰变，在这个过程中，有两个中子衰变为质子，且不释放任何中微子。如果观测到这个过程，将开拓出重要的新物理，并有助于确定中微子的质量。他们目前正在使用Summit来模拟另一个双幻核——钙-48，研究它如何经历无中微子双β衰变。

ORNL的科学家Gaute Hagen说：“目前，用来研究无中微子双β衰变的不同原子核模型之间可能相差六倍之多。我们的目标是为其他模型和理论提供一个基准。”

参考链接：

https://www.ornl.gov/news/ornl-led-collaboration-solves-beta-decay-puzzle-advanced-nuclear-models

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0450-7

本文经授权转载自《原理》微信公众号

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