摇来摇去的Ntier超级计算机模拟了磁响应钙-48内部的鼻窦，用红色和蓝色球体表示。对原子核基本力的深入了解可以帮助我们了解超新星的动力学。资料来源:ORNL，美国能源部
世界上最强大的超级计算机正在帮助解决困扰科学家十多年的相互矛盾的研究结果，这也可能在坍缩的恒星内部发出新的光芒。
美国能源部橡树岭国家实验室的核物理学家最近使用世界上最强大的超级计算机Frontier计算了钙-48原子核的磁性。他们的研究结果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上，不仅有助于更好地理解磁性在其他原子核内部的表现，而且有助于解决十年来关于钙-48磁性行为得出不同结论的实验之间的分歧。此外，这项研究可以为超新星内部发生的亚原子相互作用提供新的见解。
ORNL的计算物理学家Gaute Hagen说:“钙-48原子核具有快速衰减的激发态，因为它具有很强的磁相互作用和最高的跃迁强度之一。”“我们对控制原子核形成的规则非常感兴趣。模拟钙-48内部的基本力将帮助我们更好地理解它是如何产生的，也许还能让我们了解其他原子核可能存在的一些情况。”
钙-48是一种用于科学研究的重要同位素。它的原子核由20个质子和28个中子组成——科学家称这种组合为“双重魔法”。神奇的数字——比如20和28——是特定数量的质子或中子，它们通过在原子核内形成一个完整的壳层来提供稳定性。
钙-48的强结合力和简单的结构也使它成为研究强核力和弱核力的有趣实验对象。强核力和弱核力使粒子聚集在一起或分裂。
就像拨动电灯开关一样，将电子或光子从钙-48上散射出去，使原子核充满能量并激发原子核，使其具有磁性并翻转。这种作用被称为磁偶极子跃迁，由单个中子的自旋翻转主导。
在那个精确的时刻发生了什么，这就是哈根和他的同事们正在寻求理解的——一个困扰科学界十多年的问题。
十年来的分歧
在20世纪80年代早期，科学家们通过用不同的质子束和电子束轰击钙-48的同位素，研究了钙-48的磁偶极子跃迁。这些光束以大约10兆电子伏特(MeV)的能量激励原子核——刚好足以引发磁场信号。
他们确定了磁跃迁的强度是4个核磁子的平方。磁子是核物理学中用来描述原子核磁性行为的测量单位。
但在近三十年后的2011年，研究人员用伽马射线研究了这种同位素，并将原子核激发到相同的能级，得到了明显不同的结果。他们测量到的磁跃迁强度几乎是之前记录的两倍。
“作为核物理学家，我们基于最先进的核力理论模型从零开始计算原子核，”ORNL物理学家、田纳西大学诺克斯维尔分校联合教员托马斯·帕彭布洛克(Thomas Papenbrock)说。“不同实验之间的差异促使我们找出如果我们使用这些理论模型来研究磁跃迁会得到什么结果。”
释放前沿
这台前沿超级计算机由橡树岭领导计算设施管理，该设施是位于ORNL的美国能源部科学办公室用户设施，是世界上第一台百亿亿次计算机，每秒可以执行超过1万亿次或10亿亿次的计算。该系统令人难以置信的计算能力使哈根的团队能够以惊人的效率和精度进行模拟。
该团队使用一种称为手性有效场论的模型将核现象与强核力的基本理论——量子色动力学理论联系起来。他们使用了一种称为耦合簇法的强大数值方法来计算钙-48核的性质。该方法提供了高精度和细节以及计算成本之间的折衷，使其成为Frontier的理想任务。
模拟结果表明，钙-48的磁跃迁强度与伽马射线实验结果一致。
但揭示磁偶极子跃迁并不是他们所做的全部。他们还研究了其他因素，比如所谓的连续体效应，它描述了原子核如何与周围环境相互作用。此外，他们还研究了原子核内的成对核子(在原子核内发现的粒子)在跃迁过程中如何在原子核内相互作用，以及它们对整体电磁特性的影响。
模拟结果表明，连续统效应使磁跃迁强度降低了约10%。而且，与之前认为的核子对相互作用会显著抑制或削弱磁跃迁强度的观点相反，模拟表明，在某些情况下，这些影响会略微增加磁跃迁强度。
“希望这将激励实验学家重新审视他们的方法并做出重要的调整。或者，也许，随着时间的推移，我们可以了解到，在20世纪80年代的实验中记录的较低的值实际上是正确的，”哈根说。“这意味着我们使用的理论是不完整的，这在很多方面也会令人震惊。但不管怎样，我们都会从中学到很多东西。”
Papenbrock补充说:“我们所期望的是，计算将激发理论家和实验家之间的新讨论。”“现在，这把球放回了实验者的球场上。”
从亚原子到天文
该研究的第一作者Bijaya Acharya是ORNL理论与计算物理小组的博士后研究员。阿查里亚的主要职责之一是开发算法，使团队能够在模拟中研究许多高阶量子效应。他专门研究中微子——一种由恒星爆炸产生的微小粒子，以接近光速的速度在太空中穿行。中微子是由太阳核心的核聚变反应产生的，地球上的核反应堆也会产生中微子。
阿查里亚说:“我们在坍缩超新星的核心深处看到了丰富的钙-48，那里也有大量的中微子暴露。”描述钙-48的磁跃迁强度的物理学也描述了中微子如何与物质相互作用。
“这表明，更大的跃迁强度也意味着中微子更有可能与物质相互作用。因此，如果磁跃迁强度的值比之前认为的要大，这意味着超新星爆炸中与中微子相互作用相关的再加热和其他因素也会更大，反之亦然。当然，这将极大地影响我们对这些大型系统的理解。”
恒星就像炼金术士，ORNL的核天体物理学家和小组组长Raphael Hix解释说。超新星释放出的星尘含有大量新形成的原子核，在某些情况下包括钙-48，这些新的重元素为新一代恒星和行星的形成埋下了种子。
“你无法理解大自然母亲是如何在恒星中做到这一点的，除非你了解她将原子核聚集在一起的规则。这就是黑根计算的基本内容，”希克斯说。“就像炼金术一样，有人会把这些计算变成有趣的反应速率，然后这些反应速率将变成天体物理学计算，以帮助我们更好地理解宇宙。”
补充计算在阿贡国家实验室进行。ORNL和Argonne的高性能计算资源是通过美国能源部的创新和新颖计算对理论和实验的影响(INCITE)计划获得的。
美国能源部科学办公室和美国能源部的SciDAC-5核合作组织支持这项研究。SciDAC，即通过先进计算进行科学发现，这个项目的创建是为了将许多国家顶尖的研究人员聚集在一起，开发新的计算方法来解决一些最具挑战性的科学问题。
UT-Battelle为美国能源部科学办公室管理ORNL，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。科学办公室正在努力解决我们这个时代的一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息，请访问energy.gov/science。
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