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，这也可能为坍缩恒星的内部带来新的启示。

美国能源部橡树岭国家实验室的核物理学家最近利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》杂志上，不仅有助于更好地理解磁性在其他原子核内的表现方式，还有助于解决十年来实验之间对钙-48 磁性行为得出不同结论的分歧。此外，这项研究还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 计算物理学家 Gaute Hagen 表示：“钙-48原子核的激发态衰减很快，因为它具有很强的磁相互作用，并且跃迁强度最高。我们对原子核形成的规则非常感兴趣。模拟钙-48 内部的基本力将有助于我们更好地了解它是如何产生的，或许还能让我们了解其他原子核可能存在的情况。”

钙-48 是一种重要的同位素，用于科学研究。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“双魔数”。魔数(例如 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完整的壳层来提供稳定性。

钙-48 的强结合力和简单结构也使其成为研究将粒子结合在一起或将其分解的强核力和弱核力的有趣测试对象。

就像拨动电灯开关一样，钙-48 散射的电子或光子会激发并激活原子核，使其变成磁性并翻转。这一动作称为磁偶极跃迁，主要由单个中子的自旋翻转控制。

哈根和他的同事们正在努力弄清在那个精确时刻发生的事情——这个问题已经困扰了科学界十多年。

十年之久的分歧

20 世纪 80 年代初，科学家通过用不同的质子束和电子束轰击钙-48 同位素来研究其磁偶极跃迁。这些电子束为原子核注入的能量约为 10 兆电子伏特(MeV)，刚好足以激发磁特征。

他们确定磁跃迁的强度为 4 个核磁子的平方。磁子是核物理学中用来描述原子核磁行为的计量单位。

但在 2011 年，也就是将近三十年后，研究人员在用伽马射线研究该同位素并将原子核激发到相同能级后，得到了截然不同的结果。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，我们根据最先进的核力理论模型从头计算原子核，”共同研究员、ORNL 物理学家兼田纳西大学诺克斯维尔分校联合教员 Thomas Papenbrock 说道。“不同实验之间的差异促使我们找出如果使用这些理论模型研究磁转变会得到什么结果。”

释放边界

Frontier 超级计算机由位于 ORNL 的美国能源部科学办公室用户设施 Oak Ridge Leadership Computing Facility 管理，是世界上第一台百亿亿次级计算机，每秒可执行超过一千万亿次(即十亿亿次)计算。该系统的惊人计算能力使 Hagen 的团队能够以惊人的效率和精度进行模拟。

研究团队使用一种称为手性有效场理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。他们使用一种称为耦合簇方法的强大数值方法来计算钙-48 核的性质。该方法在高精度和细节与计算成本之间提供了折衷，使其成为 Frontier 的理想任务。

模拟表明，钙-48的磁转变强度与伽马射线实验的结果一致。

但他们所做的不仅仅是阐明磁偶极跃迁。他们还研究了其他因素，例如描述原子核如何与周围环境相互作用的所谓连续效应。此外，他们还研究了核子对(原子核内的粒子)在跃迁过程中如何在原子核内相互作用，以及它们如何影响整体电磁特性。

模拟结果表明，连续效应使磁转变强度降低了约 10%。此外，与之前认为核子对相互作用会显著抑制或削弱磁转变强度的观点相反，模拟结果表明，在某些情况下，这些效应会略微增加磁转变强度。

“希望这能激励实验者重新审视他们的方法并做出重大调整。或者，也许，随着时间的推移，我们可以了解到 20 世纪 80 年代实验中记录的较低值实际上是正确的，”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。但无论如何，我们都将从中学到很多东西。”

“我们期望这些计算能激发理论家和实验家之间的新讨论，”帕彭布鲁克补充道。“目前，这把球又回到了实验家的手中。”

从亚原子到天文

该研究的第一作者 Bijaya Acharya 是 ORNL 理论和计算物理小组的博士后研究员。Acharya 的主要职责之一是开发算法，使团队能够研究模拟中的许多高阶量子效应。他专门研究中微子——由爆炸恒星产生的微小粒子，以接近光速的速度穿越太空。中微子是由太阳核心的核聚变反应产生的，也是由地球上的核反应堆产生的。

“我们在超新星坍缩核心深处发现了大量的钙-48，那里也有大量中微子暴露，”阿查里亚说。“描述钙-48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。

“这意味着，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大于之前认为的，则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规模系统的理解。”

ORNL 核天体物理学家兼研究组组长 Raphael Hix 解释说，恒星就像炼金术士。超新星发射出的星尘含有各种新产生的原子核，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产生提供了种子。

“除非你了解大自然如何将原子核聚集在一起，否则你无法理解大自然如何在恒星中做到这一点。这正是哈根计算的根本目的，”希克斯说。“就像炼金术一样，有人会将这些计算转化为有趣的反应速率，然后这些反应速率将转化为天体物理学计算，以帮助我们更好地理解宇宙。”

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