对原子核的最新研究，将帮助科学家揭开中子星和放射性物质的秘密

气体中的原子看起来就像纳米级狂欢中的参与者，粒子快速旋转，配对，再以看似随机的方式飞来飞去。然而，物理学家已经提出了预测这种行为的公式，即使当原子靠得非常近并以复杂的方式相互作用。

单个原子核内的环境似乎与此相似，质子和中子也在跳动。但由于原子核是一个如此紧凑的空间，科学家们一直难以确定这些被称为核子的粒子在原子核中的行为。当粒子配对并在近距离相互作用时，描述远距核子相互作用的模型就失效了。

现在，由麻省理工大学领导的一个研究小组利用世界上最强大的超级计算机模拟了几种原子核中质子和中子的行为。该小组探索了广泛的核相互作用模型，并惊奇地发现，描述原子在气体中的行为的公式可以推广，以预测质子和中子在原子核内的近距离相互作用。

当核子之间的距离小于1飞米到1千万亿分之一米时，研究人员发现了另一个令人惊讶的现象：粒子以同样的方式配对，不管它们是在像氦这样的小原子核里还是像钙这样更拥挤的原子核里。

这些短程配对并不真正关心它们的环境，它们将以同样的普遍方式配对。这种短程行为可能适用于所有类型的原子核，比如密度更大、更复杂的放射性原子核。

人们没想到这种模型能适用于原子核，而原子核是物理学中最复杂的物体。尽管原子核和原子之间的密度相差超过20个数量级，但我们仍然可以发现这种普遍现象，并将其应用于核物理中的许多仍未解决的问题。

该团队在上周的《自然物理》杂志上发表了他们的研究结果。

研究人员试图理解质子和中子在极短范围内的相互作用。在非常小、密度非常大的环境下，核子之间的拉扯是出了名的难以确定。多年来，他一直想知道原子物理学中被称为接触形式论的概念是否也可以应用于核物理和原子核的内部。

广泛地说，接触形式理论是一种普遍的数学描述，它证明了原子云的行为取决于它们的规模：那些彼此远离的原子遵循一定的物理规律，而紧密相连的原子遵循一套完全独立的物理规律。研究人员想知道接触形式理论是否也可以描述原子核内的相互作用。这是原子物理学的一场革命。

研究人员首先与希伯来大学的学者合作，他们领导了原子接触形式的理论推广，以描述粒子相互作用的一般系统。他们以一种与广义接触形式所预测的长程核子完全独立的方式，在一个小的、密集的核环境中模拟粒子，以观察短程核子的行为模式是否会出现。

该小组模拟了几个轻原子核内的粒子相互作用，范围从氦的3个核子到钙的40个核子。对于每种原子核，他们使用一种随机抽样算法来生成一段视频，记录特定原子核中每个质子和中子在一段时间内的位置。

“在某个特定的时间点，这些粒子可能以一种方式分布，在一个给定的模式下相互作用，例如，这个粒子和那个粒子配对，第三个粒子被踢出去。然后，在另一个时间点，它们会以不同的方式分布，”洛斯阿拉莫斯国家实验室和密歇根州州立大学的物理学家迭戈·洛纳多尼解释道。“

为了观察出现的任何一种平衡或模式，研究小组必须模拟每个粒子之间所有可能的物理现象，为每种类型的原子核生成数千张快照。执行这些计算通常需要数百万小时的处理时间。因此，这个团队使用了洛斯阿拉莫斯实验室和阿贡国家实验室的超级计算机——世界上最强大的计算机之一——来并行地分配工作。

在进行模拟之后，他们绘制了每一种模拟原子核的核子分布。例如，对于一个氧原子核，他们发现有一定比例的核子在1费米范围内，另一个比例的核子稍微靠近一点，以此类推。

令人惊讶的是，他们发现，对于长程核子来说，不同类型的核子之间的分布差异很大。但对于距离小于1飞米的短程核子，其原子类型的分布看起来完全相同，无论核子是在超轻的氦核内还是密度更大的碳核内。换句话说，短程核子的行为不受其大尺度环境的影响。

这一发现提供了一种新的方法来确定核分布的短距离部分，结合现有的理论，可以从本质上得到完整的分布。有了它，我们就可以测试中微子的性质，计算中子星的冷却速率，以及其他一些悬而未决的问题。