藉助超級計算機,物理學家終於解決「β衰變難題」| Nat. Phys.

2021-01-19 科研圈

原子核發生 β 衰變的速率要低於根據自由中子的 β 衰變速率計算得出的結果，五十年來物理學家一直沒有找到其中的原因。最近，美國橡樹嶺國家實驗室研究人員藉助超級計算機，發現這一過程受到粒子之間相互作用的影響。



圖片來源：Andy Sproles/ORNL


撰文 Catherine Longmire, Andrea Schneibel

翻譯 王嘉媛

審校 阿金

編輯 戚譯引


β 衰變在宇宙中扮演著不可或缺的角色，它引發恆星爆炸，而爆炸合成元素——每一件黃金或鉑金首飾的誕生都要歸功於β衰變。β 衰變也讓科學家得以窺見標準模型之外的物理學，而標準模型則是粒子和相互作用的框架，給物理世界帶來秩序感。它還一直掌握著一個困擾核物理學家 50 年的秘密。 隨著美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）計算能力的不斷提高，一組研究人員已經解開了這個謎團，研究結果發表在《自然-物理學》（Nature Physics）期刊上。


當原子核含有太多的質子或中子時，中子將轉變為質子，或者質子將轉變為中子。這個 β 衰變的過程使原子核更接近穩定狀態。半個世紀以來，核物理學家一直被一些問題所困擾：為什麼他們能夠計算出單個中子的 β 衰變率，但是將這些信息應用於原子核，就會算出遠高於現實的衰變速度？


田納西大學（University of Tennessee）的理論核物理教授、論文的共同作者 Thomas Papenbrock 解釋說，可以通過 「淬滅」（quenching）的形式進行校正，來消除這種差異，即減少自由中子衰變速率與科學家在原子核中觀察到的衰變速率之間的一個基本耦合常數。令人困惑的是，對於為何淬滅會起作用，卻沒有第一性原理理論上的解釋。（編者註：螢光淬滅是指螢光分子由內部因素和外部因素同時作用造成的不可逆破壞，此時螢光的強度與螢光物質的濃度不構成線性關係；第一性原理指基本的、自證的原理、命題、假設，它不需要依靠其他命題來證明。）


「我們的研究表明，原子核的 β 衰變更加複雜，」Papenbrock說，「即使我們將其視為原子核內中子衰變為質子的反應，這種衰變也會受到兩個中子相互作用、並轉變為一個質子和一個中子這一過程的影響。考慮到這些影響，並使用最先進的核模型和超級計算機，我們能夠解決 β 衰變的『淬火』之謎。」


研究人員利用 ORNL 的 Cray XK7 Titan 超級計算機，模擬了錫-100 衰變為銦-100 的過程。 錫-100 被稱為「雙幻數」原子核：它在完整的殼層中有 50 個質子和 50 個中子，使其成為強束縛原子核。 而結構的相對簡單使得錫-100 成為大規模計算的理想候選粒子，幫助科學家們了解原子核中質子和中子間的作用力。


該研究結果與實驗數據一致，並且還可以為調控無中微子雙 β 衰變（neutrino-less double beta decay）的矩陣元提供預測。無中微子雙 β 衰變是一個理論假設的衰變過程，其中兩個中子同時衰變為質子，但不釋放中微子。不過，正如這篇論文指出的那樣，無中微子雙 β 衰變在解釋中微子質量尺度方面仍然會遇到困難，因為中微子質量極其微小，在 1998 年之前科學家一直認為它根本沒有質量。




論文信息


【標題】Discrepancy between experimental and theoretical β-decay rates resolved from first principles

【作者】P. Gysbers, G. Hagen, J. D. Holt, G. R. Jansen, T. D. Morris, P. Navrátil, T. Papenbrock, S. Quaglioni, A. Schwenk, S. R. Stroberg & K. A. Wendt

【時間】2019.3.11

【期刊】Nature Physics

【DOI】10.1038/s41567-019-0450-7

【摘要】The dominant decay mode of atomic nuclei is beta decay (β-decay), a process that changes a neutron into a proton (and vice versa). This decay offers a window to physics beyond the standard model, and is at the heart of microphysical processes in stellar explosions and element synthesis in the Universe. However, observed β-decay rates in nuclei have been found to be systematically smaller than for free neutrons: this 50-year-old puzzle about the apparent quenching of the fundamental coupling constant by a factor of about 0.75 is without a first-principles theoretical explanation. Here, we demonstrate that this quenching arises to a large extent from the coupling of the weak force to two nucleons as well as from strong correlations in the nucleus. We present state-of-the-art computations of β-decays from light- and medium-mass nuclei to 100Sn by combining effective field theories of the strong and weak forces with powerful quantum many-body techniques. Our results are consistent with experimental data and have implications for heavy element synthesis in neutron star mergers and predictions for the neutrino-less double-β-decay, where an analogous quenching puzzle is a source of uncertainty in extracting the neutrino mass scale.

【連結】https://www.nature.com/articles/s41567-019-0450-7 


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