在原子核中，存在着一種主要的衰變模式——β衰變，這是一個質子轉化爲中子（反之亦然）的過程。它是宇宙中恆星爆炸和重元素合成的微物理過程的核心。

儘管β衰變如此重要，但我們還沒有完全理解它。在過去的50年中，物理學家一直被一個問題困擾着：爲什麼在原子核內觀測到的β衰變率比自由中子的β衰變率要小一些？物理學家一直無法從第一原理出發找到一個合理的解釋。直到最近，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的科學家參與的一項國際合作終於揭開了這個半個世紀之前的謎題。

爲了解決這個問題，研究小組模擬了錫-100衰變爲它在元素週期表上的相鄰元素——銦-100的過程。這兩種元素擁有相同數量的核子（質子和中子），不同的是錫-100擁有50個質子，而銦-100擁有49個質子。

要精確地計算β衰變不僅需要準確地模擬母核與子核的結構，還需要考慮兩個核子在轉變過程中的相關的相互作用，這個附加的考量給研究人員帶來了巨大的計算難題。

過去，核物理學家通過插入一個基本常數來協調觀測到的衰變率之間的差異，這種做法被稱爲“熄火”。但研究小組發現，有了像ORNL的泰坦超級計算機這樣的機器之後，就沒有必要再人爲地插入一個數學常數了。

ORNL的計算科學家Gustav Jansen說：“沒有人真正理解爲什麼這個熄火因子會起作用。我們發現，這個問題很大程度可以通過在衰變中包含兩個核子來解釋，比如兩個質子衰變成一個質子和一箇中子，或者一個質子和一箇中子衰變爲兩個中子。”

第一原理計算表明，與自由中子裏的β衰變相比，原子核中的β衰變會因兩個核子之間的強相關性和相互作用而減緩。| 圖片來源：Andy Sproles/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy

許多元素的放射性同位素的衰變會持續很長一段時間，例如碳-14的半衰期是5730年。但也有其他一些原子核會迅速衰變，在發射出粒子而變得穩定之前，只會存在不到一秒鐘的時間。

中子的β衰變過程會釋放出一個電子和一個反中微子。當錫-100轉變成銦-100時，原子核經歷的是正β衰變，質子會轉化爲中子，同時釋放出一個正電子（電子的反粒子）和一個中微子。

錫-100的質子和中子數量相等，因而會表現出異常高的衰變率，這就爲研究小組提供了一個強有力的信號來驗證結果。此外，錫-100原子核是“雙幻核”，它的質子數和中子數都是50這個幻數，這樣核子在填充原子核內已定義的殼層時，會使原子核具有較強的束縛性和相對簡單的結構。研究小組使用一個被稱爲NUCCOR的代碼編程解決核的多體問題，這個代碼擅長在覈素圖中描述雙幻核。

另一位研究人員Thomas Papenbrock說：“像錫-100這樣的雙幻核並不像其他許多原子核那麼複雜。因此我們就可以使用耦合團簇方法可靠地計算它，這個方法會考慮到單個核子之間的作用力，並據此計算大型原子核的性質。”

然而，爲了模擬β衰變，研究小組還必須計算銦-100的結構，這是比錫-100這樣的雙幻核更爲複雜的原子核，因而需要更精確地處理核子之間的強相關性。研究小組借鑑了量子化學中將電子當作波來處理的想法，最終成功地開發出了模擬這些過程的技術。

ORNL的物理學家Titus Morris說：“在這個例子中，我們處理的是核子而不是電子，但是量子化學的概念幫助我們走出雙幻核，擴展到具有開放的原子核殼層的區域。”

與宇宙中的物質形成相關的一些問題是最令人困惑的謎團，而這項成就讓物理學家在尋找這些問題的答案時更加充滿信心。研究小組已經證明，他們對β衰變的理論計算與實驗的精度相當，他們希望利用像ORNL的Summit新型超級計算機這樣強大的機器來指導當前和未來的實驗。

除了常規的β衰變，研究人員也想要計算無中微子雙β衰變，在這個過程中，有兩個中子衰變爲質子，且不釋放任何中微子。如果觀測到這個過程，將開拓出重要的新物理，並有助於確定中微子的質量。他們目前正在使用Summit來模擬另一個雙幻核——鈣-48，研究它如何經歷無中微子雙β衰變。

ORNL的科學家Gaute Hagen說：“目前，用來研究無中微子雙β衰變的不同原子核模型之間可能相差六倍之多。我們的目標是爲其他模型和理論提供一個基準。”

參考鏈接：

https://www.ornl.gov/news/ornl-led-collaboration-solves-beta-decay-puzzle-advanced-nuclear-models

本文經授權轉載自《原理》微信公衆號