仿真提供来自碳核的图像

碳原子核的内部是什么样子的?Forschungszentrum Jülich，密歇根州立大学和波恩大学的一项新研究为这个问题提供了第一个全面的答案。在这项研究中，研究人员模拟了原子核的所有已知能量状态。

其中包括令人费解的霍伊尔州。如果它不存在，碳和氧只会以微小的痕迹存在于宇宙中。因此，归根结底，我们也应该拥有自己的存在。这项研究现已发表在《自然通讯》杂志上。

碳原子的原子核通常由六个质子和六个中子组成。但是它们究竟是如何安排的呢?当原子核受到高能辐射轰击时，它们的配置会如何变化?几十年来，科学一直在寻找这些问题的答案。尤其是因为它们可以为一个长期困扰物理学家的谜团提供钥匙：为什么太空中存在大量的碳——没有它，地球上就没有生命?

毕竟，大爆炸后不久，只有氢和氦。氢原子核由一个质子组成，即两个质子和两个中子的氦。所有较重的元素都是在数十亿年后由老化的恒星创造的。在其中，氦原子核在巨大的压力和极高的温度下融合成碳核。这需要三个氦原子核融合在一起。

“但这实际上不太可能发生，”波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究所和Forschungszentrum Jülich高级模拟研究所的Ulf Meißner教授解释说。原因是：氦原子核的能量比碳核高得多。然而，这并不意味着它们特别容易融合——相反，就好像三个人想跳上旋转木马。但由于它们比旋转木马转弯快得多，因此它们没有成功。

在超级计算机上模拟

因此，早在1950年代，英国天文学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)就假设三个氦原子核首先聚集在一起形成一种过渡态。这种“霍伊尔态”的能量与氦原子核非常相似。保持画面：这是旋转木马的更快旋转版本，因此三名乘客可以轻松跳上去。

发生这种情况时，轮播会减速到正常速度。“只有绕道霍伊尔州，恒星才能产生任何可观数量的碳，”Meißner说，他也是波恩大学跨学科研究领域“建模”和“物质”的成员。

大约十年前，他与美国的尤利希研究中心和波鸿鲁尔大学的同事一起，首次成功地模拟了这个霍伊尔州。“我们已经知道碳原子核的质子和中子在这种状态下是如何排列的，”他解释说。“然而，我们无法肯定地证明这个假设是正确的。

在先进方法的帮助下，研究人员现在已经成功了。这基本上是基于限制：实际上，质子和中子 - 核子 - 可以位于空间的任何地方。然而，对于他们的计算，该团队限制了这种自由：“我们将核粒子排列在三维晶格的节点上，”Meißner解释说。所以我们只允许他们某些严格定义的立场。

计算时间：5万处理器小时

由于这种限制，可以计算核子的运动。由于核粒子根据彼此之间的距离而相互影响不同，因此这项任务非常复杂。研究人员还在略有不同的起始条件下进行了数百万次模拟。

这使他们能够看到质子和中子最有可能在哪里。“我们对碳核的所有已知能量状态进行了这些计算，”Meißner说。计算是在Forschungszentrum Jülich的JEWELS超级计算机上进行的。它们总共需要大约 5 万个处理器小时，其中数千个处理器同时工作。

结果有效地提供了来自碳核的图像。他们证明核粒子并非彼此独立存在。“相反，它们被聚集成两个中子和两个质子的组，”物理学家解释说。这意味着三个氦原子核在融合形成碳核后仍然可以被检测到。

根据能量状态的不同，它们以不同的空间形态存在——要么排列成等腰三角形，要么像一个略微弯曲的手臂，肩膀、肘关节和手腕各被一个集群占据。

这项研究不仅使研究人员能够更好地了解碳原子核的物理学，而且正如Meißner总结的那样，“我们开发的方法可以很容易地用于模拟其他原子核，并且肯定会带来全新的见解。

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