實驗和計算的結(jié)合允許檢查硼的復(fù)雜舞蹈

工作開辟了精確計算其他原子核結(jié)構(gòu)的途徑。

在一項將超級計算機實現(xiàn)的實驗工作和理論計算相結(jié)合的研究中，科學(xué)家已經(jīng)確定了兩種硼同位素的核幾何結(jié)構(gòu)。結(jié)果可以幫助開辟一條精確計算科學(xué)家可以通過實驗驗證的其他細胞核結(jié)構(gòu)的途徑。

能源部(DOE)阿貢實驗室的研究人員與德國和波蘭的科學(xué)家合作，確定了硼-10和硼-11之間核電荷半徑的差異。核電荷半徑表示原子核的大小 - 通常具有相對模糊的邊緣。

“這是最復(fù)雜的原子核之一，可以通過實驗得出這些精確的測量結(jié)果并從理論上推導(dǎo)出來。” - 阿貢核物理學(xué)家彼得·穆勒

對于遠大于硼的原子，核電荷半徑難以高精度計算，因為中子和質(zhì)子的數(shù)量非常多，其性質(zhì)和相互作用必須來源于量子力學(xué)。

核理論建立在量子色動力學(xué)(QCD)之上，這是一套適用于構(gòu)成核內(nèi)質(zhì)子和中子的夸克和膠子的物理規(guī)則。但是由于其復(fù)雜性，嘗試單獨使用QCD解決核動力學(xué)幾乎是不可能的任務(wù)，研究人員必須至少依賴一些簡化的假設(shè)。

因為硼相對較輕 - 只有五個質(zhì)子和少量中子 - 團隊能夠成功地模擬Mira超級計算機上的兩個硼同位素，并使用激光光譜學(xué)進行實驗研究。Mira是能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室Argonne Leadership Computing Facility(ALCF)的一部分。

“這是最復(fù)雜的原子核之一，可以通過實驗得出這些精確的測量結(jié)果并從理論上推導(dǎo)出來，”負責(zé)研究的阿貢核物理學(xué)家彼得·穆勒說。

觀察硼-11(11 B)和硼-10(10 B)的核配置如何不同，需要在非常小的長度范圍內(nèi)進行測定：小于一個飛度計 - 一千萬億分之一米。在一個違反直覺的發(fā)現(xiàn)中，研究人員確定硼-11中的11個核子實際上占據(jù)的體積小于硼-10中的10個核子。

為了實驗性地觀察硼同位素，達姆施塔特大學(xué)的科學(xué)家對同位素樣品進行了激光光譜分析，這些樣品在不同頻率發(fā)出熒光。雖然熒光模式的大部分差異是由同位素之間的質(zhì)量差異引起的，但測量中有一個組成部分反映了核的大小，Argonne物理學(xué)家Robert Wiringa解釋說。

為了分離這些組件，來自華沙大學(xué)和波茲南亞當(dāng)密茨凱維奇大學(xué)的合作者進行了最先進的原子理論計算，精確描述了硼原子核周圍五個電子的復(fù)雜舞蹈。

“早期的電子散射實驗無法確定哪個更大，”Wiringa說。“通過使用這種激光光譜技術(shù)，我們能夠看到某些如何多余的中子結(jié)合硼11更加緊密。”

實驗和理論之間對核的尺寸的良好一致性允許研究人員以更高的置信度確定同位素的其他性質(zhì)，例如其β衰變率。“來執(zhí)行計算和做實驗的能力去手牽手來驗證和加強我們的調(diào)查結(jié)果，”穆勒說。

研究的下一階段可能涉及硼-8的研究，硼-8不穩(wěn)定，在衰變之前僅具有約一秒的半衰期。Mueller表示，由于核中的中子數(shù)較少，因此與穩(wěn)定的鄰居相比，它的束縛程度要小得多，并且被認為具有延長的電荷半徑。“有一個預(yù)測，但只有實驗將告訴我們?nèi)绾我约八鼘嶋H上這個模式松散結(jié)合的系統(tǒng)，”他解釋說。