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物理学研究人员质疑钙52的魔力

2019-05-06 15:44:52来源:
导读几十年来,核物理学家一直试图更多地了解哪些元素或它们的各种同位素是神奇的。这并不是说他们表现出超自然的力量。魔法原子核由质子和中子

几十年来,核物理学家一直试图更多地了解哪些元素或它们的各种同位素是“神奇的”。

这并不是说他们表现出超自然的力量。魔法原子核由质子和中子的“神奇”数组成 - 统称为核子 - 如2,8,20和28.这些特定数量的核子定义了核内的壳,当它们关闭时,它会成为核。比其他核更强烈地束缚和稳定。

如果质子和中子都具有幻数,那么原子核被认为是双重魔法,使其结构特别牢固且简单。例如,含有20个质子和28个中子的钙-48具有双重魔力。

原子核构成了宇宙中绝大部分的可见物质,了解中子与构成原子核的质子之间的相互作用对从亚原子领域到中子星等天体物理学的研究产生了影响。

对于被认为是神奇的核,它必须具有几个属性。研究人员研究其激发能量,即将原子核移动到更高能态所需的能量。此外,研究人员测量其分离能量,即从核中去除核子所需的能量。最后,测量电荷半径或核中质子的分布,使科学家能够跟踪指示细胞核是否具有魔力的趋势。

最近,由能源部橡树岭国家实验室的高特哈根领导的一个多机构小组计算了原子核钙-48的大小 - 一种神奇的同位素 - 并且发现它的中子皮肤明显比以前认为的要薄。这些结果挑战了研究人员对原子核基本性质的理解,例如富含中子核的壳结构的演化及其与电荷和稳定性分布的关系。该团队的研究成果发表在Nature Physics上。

在研究了钙-48后,研究小组继续研究更大,更重,更复杂的同位素 - 钙-52-结果再次令研究人员感到惊讶。

“以前对钙-52的了解是,它具有相对较高的2+态激发能和大中子分离能,”Hagen说。“这些数量告诉我们一些关于细胞核强烈结合的信息,因此研究人员相信钙-52与钙-48非常相似,是神奇的。”

“那些是两个可观察的东西,只能给我们一个关于细胞核是否是魔法的部分信息,”哈根继续道。“在我们最终声称拥有一个神奇的核心之前,我们需要了解更多的观察结果。在这项工作中,对钙质52的性质进行更详细的分析会对这一说法提出质疑。”

向答案充电

来自欧洲核子研究组织(CERN)的共线激光光谱学(COLLAPS)合作的实验人员发现,钙-52的电荷半径比所有较轻的钙同位素大得多。该研究使用CERN的ISOLDE设施(在线同位素质量分离器)进行。

电荷半径决定了原子核的大小。当观察各种同位素链中已知电荷半径的变化时,研究人员通常会看到一幅看起来像连绵起伏的山丘的图片,因为中子被添加到原子核中。这些山丘代表了电荷半径如何演变,对于魔法核心变小,对于非魔法核心变大。对于钙-52测量的非常大的电荷半径称其作为神奇核的状态受到质疑。

为了帮助实验主义者解释钙-52是否有任何伎俩,哈根和他的合作者转向位于ORNL的美国能源部科学用户设施橡树岭领导计算机构的泰坦超级计算机。

ORNL,田纳西大学,密歇根州立大学,德国达姆施塔特工业大学和加拿大TRIUMF的理论研究人员计算了钙同位素的电荷半径,并发现了与实验相同的趋势。

“如果钙-52是神奇的,你可以预期在图表中会出现下降或扭结,显示钙-52上钙同位素的电荷半径,”哈根说。“我们的理论合作者同意实验趋势,并没有出现这种扭结的迹象。”

然而,与团队之前使用钙-48的工作不同,即使是性能最佳的核模型也无法与实验数据完美匹配,尽管整体趋势得以复制。OLCF科学计算联络员Gustav Jansen在开发团队的NUCCOR代码方面发挥了重要作用,并在该项目中担任核理论和计算科学之间的桥梁,他指出,这一结果源于计算的极其复杂的性质。

Jansen领导了为Titan优化团队代码的工作,并以这样一种方式组织工作流程,即团队可以以最低的计算成本获得最精确的模拟。

Hagen和Jansen同意,如果不进行领导力计算,核物理研究就不会像现在这样。

“我们的领域正在发生一场革命,在那里我们可以通过改进的计算方法获得计算能力,真正达到50质量核心,这是我们目前的限制,”哈根说。“如果没有超级计算机,我认为像这样的工作是不可能的。”

随着计算能力的提高,该团队期待在其模拟中添加更多细节,并扩展到越来越大的核。为了帮助完成这项工作,该团队的NUCCOR代码被选为OLCF加速应用准备中心(CAAR)项目的13个项目之一。

为了迎接OLCF的下一代超级计算机,Summit - 将于2018年开始提供科学 - 工作人员开发了CAAR项目,邀请研究人员申请早期访问Summit的测试床和开发系统。CAAR允许研究人员从一开始就准备他们的代码以尽可能高效地运行在Summit上。

Jansen和Hagen都同意Summit将帮助他们继续完善和改进他们的研究,最终帮助他们创建更加精确的核心,以模拟越来越大,更复杂的核。

“我们对这次模拟的结果确实让我们回到了我们正在研究的基本互动,”Jansen说。“它说我们需要更好地近似这种相互作用,但我们也需要缩小相关的不确定性。使用我们的方法,结果的精确度远远高于输入的精度,并且直到我们将这两者放在平等的基础上,我们才能得到最准确的答案。“

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