模拟提供来自碳核的图像

碳原子核的内部是什么样子的?Forschungszentrum Jülich、密歇根州立大学()和波恩大学的一项新研究首次全面回答了这个问题。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态。如果它不存在，碳和氧就只会以微量存在于宇宙中。因此，归根结底，我们也欠它自己的存在。该研究现已发表在《自然通讯》杂志上。

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，它们的结构如何变化?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提供解开长期以来困扰物理学家的谜团的钥匙：为什么太空中有大量的碳——没有它地球上就没有生命的原子?

毕竟，在大爆炸之后不久，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。这需要三个氦原子核聚变在一起。“但这实际上不太可能发生，”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 教授解释说。原因是：氦原子核的能量比碳原子核高得多。然而，这并不意味着它们特别容易融合——相反：就好像三个人想跳上旋转木马一样。但由于它们比旋转木马转弯快得多，所以它们没有成功。

超级计算机上的模拟

早在 50 年代，英国天文学家弗雷德·霍伊尔 (Fred Hoyle) 就推测，三个氦原子核首先聚集在一起形成一种过渡态。这种“霍伊尔态”具有与氦原子核非常相似的能量。留在画面中：这是旋转速度更快的旋转木马，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。“只有绕过霍伊尔态，恒星才能产生任何可观数量的碳，”迈斯纳说，他也是波恩大学跨学科研究领域“建模”和“物质”的成员。

大约十年前，他与来自的 Forschungszentrum Jülich 和 Ruhr-Universität Bochum 的同事一起，首次成功地模拟了这个霍伊尔态。“那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，”他解释道。“但是，我们无法确定地证明这个假设是正确的。” 在先进方法的帮助下，研究人员现在取得了成功。这基本上是基于限制：实际上，质子和中子 - 核子 - 可以位于空间的任何地方。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 解释道。“所以我们只允许他们在某些严格定义的位置上。”

计算时间：五百万处理器小时

多亏了这个限制，才有可能计算出核子的运动。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。研究人员还在略有不同的起始条件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出现的位置。“我们对碳核的所有已知能态进行了这些计算，”迈斯纳说。计算是在 Forschungszentrum Jülich 的 JEWELS 超级计算机上进行的。他们总共需要大约 500 万个处理器小时，同时需要数千个处理器同时工作。

结果有效地提供了碳核的图像。它们证明了核粒子不是彼此独立存在的。“相反，它们聚集成一组，每组两个中子和两个质子，”这位物理学家解释道。这意味着三个氦核在聚变形成碳核后仍然可以被检测到。根据能量状态，它们以不同的空间形态存在——要么排列成等腰三角形，要么像一个略微弯曲的手臂，肩膀、肘关节和手腕各占一簇。

该研究不仅可以让研究人员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。”