近日，研究人员利用美国能源部橡树岭国家实验室的Frontier超级计算机，成功开发出一种可以详细预测核特性的新技术。这项研究不仅揭示了原子核的结构与将其结合在一起的力之间的关系，还有望推动量子物理学以及能源生产、国家安全等多个领域的发展。
从左到右，以越来越高的分辨率照亮了变形的旋转原子核，能量水平越来越高。图片来源：Güneş Özcan/ORNL，美国能源部
路易斯安那州立大学(原橡树岭国家实验室成员)的孙钟浩表示：“我们可靠的预测将为核力和结构的研究带来新的见解。”
这项研究成果已发表在《物理评论X》杂志上，它深化了人们对原子核在原子层面上的结构及其亚原子粒子行为的认识。原子核具有旋转特性，其形状既可以是圆形，也可以是变形的橄榄球状。然而，历史上建立一个能够准确捕捉这些特征(如形状、旋转的小能量以及将原子核结合在一起的大结合能)的计算模型一直是一项挑战。
橡树岭国家实验室的Gaute Hagen指出：“在极低的分辨率下，原子核可能被看作是旋转的液滴。但随着分辨率的提高，我们可以看到更多关于内部结构的细节，并更深入地了解亚原子粒子如何相互作用以形成原子核。”
橡树岭国家实验室领导的团队利用 Frontier 超级计算机(世界上第一个百亿亿亿次级系统)模拟了具有科学意义的原子核。图片来源：Carlos Jones/ORNL，美国能源部
在研究中，橡树岭国家实验室领导的团队利用Frontier超级计算机(世界上第一个百亿亿亿次级系统)模拟了具有科学意义的原子核。通过建模不同能级的各种粒子行为，研究团队获得了对这些行为变化的更好理解。将所有因素统一到一个精确模型中，这得益于Frontier强大的计算能力。Frontier的百亿亿次级计算能力每秒可进行超过一千万亿次计算。
研究结果显示，一种名为30-neon的稀有原子核同时具有圆形和变形两种形状。通过进行数百万次计算，研究小组揭示了将亚原子粒子结合在一起的强核力是如何驱动这种变形的。基于这些结果，研究小组开发了新的核特性模型。这些模型虽然需要使用Frontier进行创建，但可以在笔记本电脑上运行，以便进行广泛的未来研究。
孙钟浩表示：“我们引入的新技术确实改变了游戏规则，使我们能够精确计算变形原子核的结构和行为。这处于核科学研究的前沿。”
此项研究得到了美国能源部科学办公室核物理办公室和高级科学计算研究办公室的支持。Frontier超级计算机位于橡树岭领导计算设施，这是美国能源部科学办公室的一个用户设施。
