一个由MIT领导的小组模拟了几种类型原子核中质子和中子的行为，发现描述气体中原子行为的公式可以被通用化，以预测质子和中子在原子核近距离内的相互作用。
短程核相互作用的发现将有助于科学家研究中子星和重放射性核。
气体中的原子看起来像是在纳米级狂欢中的分手，粒子以似乎随机的方式围绕着，配对并再次飞出。然而，物理学家想出了可以预测这种行为的公式，即使原子非常靠近并且可以以复杂的方式相互拉动。
单个原子核内的环境似乎很相似，质子和中子也随处可见。但是由于原子核是如此紧凑的空间，科学家们一直在努力限制原子核中这些被称为核子的粒子的行为。当粒子配对并在近距离相互作用时，描述相距较远的核子相互作用的模型会崩溃。
现在，由MIT领导的团队使用世界上一些最强大的超级计算机，对几种类型的原子核中质子和中子的行为进行了仿真。该小组探索了广泛的核相互作用模型，并令人惊讶地发现，描述原子在气体中的行为的公式可以被概括以预测质子和中子在原子核近距离内的相互作用方式。
当核子之间的距离小于1飞米（1米的百万分之一）时，研究人员发现了另一个惊喜：粒子以相同的方式配对，而不管它们是居住在像氦那样的小原子核上，还是居住在像钙一样更拥挤的原子核上。
“这些短距离配对并不真正在乎他们的环境-无论是参加大型聚会还是五人聚会，都没关系-他们将以相同的通用方式配对，” Reynier Cruz-托雷斯（Torres）是麻省理工学院（MIT）物理研究生的共同负责人。
这种短程行为可能对所有类型的原子核都是普遍的，例如放射性原子中密度更高，更复杂的原子核。
麻省理工学院物理学助理教授Or Hen说：“人们没想到这种类型的模型会捕获原子核，而原子核是物理学中最复杂的对象。”“尽管原子与原子核之间的密度相差超过20个数量级，我们仍然可以发现这种普遍行为并将其应用于核物理中许多未解决的问题。”
研究小组已将结果发表在《自然物理学》杂志上。麻省理工学院的合著者包括核科学实验室的研究机构Axel Schmidt，以及希伯来大学，洛斯阿拉莫斯和阿贡国家实验室以及其他各种机构的合作者。
派对对
亨恩试图了解极短距离内质子与中子之间的混乱相互作用，众所周知，在极小，密集的原子核环境中，核子之间的拉力和拖拉力很难确定。多年来，他一直想知道原子物理学中称为接触形式主义的概念是否也可以应用于核物理学和原子核的内部工作。
从广义上讲，接触形式主义是一种通用的数学描述，它证明云中原子的行为取决于其尺度：彼此相距遥远的原子遵循某种物理原理，而非常靠近的原子遵循完全独立的一组物理原理。每组原子进行的相互作用都忽略了另一组的行为。例如，根据接触形式论，无论云中有其他更遥远的原子在做什么，总会有一定数量的超近对。
亨恩想知道接触形式主义是否也可能描述原子核内的相互作用。
亨恩说：“我认为不可能看到这种美丽的形式主义，那是原子物理学的一场革命，但我们不能使其适用于核物理。”“这太过分了。”
“在人类尺度上”
研究人员首先与希伯来大学的Ronen Weiss和Nir Barnea合作，他们领导了原子接触形式主义理论概括的发展，以描述相互作用粒子的一般系统。然后，他们试图在狭小，密集的核环境中模拟粒子，以观察行为模式是否会以广义接触形式主义所预测的与远程核子完全不同的方式出现在短距离核子之间。
该小组模拟了几个轻原子核内的粒子相互作用，从氦中的三个核子到钙中的40个核子。对于每种类型的原子核，他们运行一种随机采样算法以生成影片，显示给定原子核中每个质子和中子可能随时间变化的位置。
“在某个时间点上，这些粒子可以以一种方式分布，它们之间与给定的方案进行交互，例如，其中一个与该粒子配对，而第三个粒子被踢开。然后，在另一个时间点，它们的分布将有所不同。”共同主要作者，洛斯阿拉莫斯国家实验室和密歇根州立大学的物理学家迭戈·洛纳多尼解释说。“因此，我们一次又一次地重复这些计算以达到平衡。”
为了看到任何形式的平衡或模式，研究团队必须模拟每个粒子之间的所有可能物理场，为每种原子核生成数千个快照。要执行此数量的计算，通常将需要数百万小时的处理时间。
亨恩说：“完成计算所需的时间超过了我的笔记本电脑的使用寿命。”“如果将计算结果分配给10,000个处理器，那么您可以在一个人的时间内获得结果。”
因此，该团队在Los Alamos和Argonne国家实验室使用了超级计算机（世界上一些最强大的计算机）来并行分发工作。
运行模拟后，他们为模拟的每种类型的核绘制了核子的分布。例如，对于一个氧原子核，他们发现相距1个费米内一定比例的核子，而另一个则稍微靠近一些，等等。
令人惊讶的是，他们发现，对于长距离核子，其分布范围从一种核到另一种核都有很大差异。但是对于相距小于1飞米的短程核子，无论核子是居住在超轻氦核还是更密集的碳核上，原子类型上的分布看起来都是完全相同的。换句话说，短程核子的行为独立于其更大范围的环境，类似于通过接触形式主义描述原子行为的方式。
亨恩说：“我们的发现为确定核分布的短距离部分提供了一种新的简单方法，结合现有理论，可以从本质上获得完整的分布。”“有了这一点，我们可以测试中微子的性质并计算中子星的冷却速率，以及其他未解决的问题。”
参考：R. Cruz-Torres，D.Lonardoni，R.Weiss，M.Piarulli，N.Barnea，DW Higinbotham，E.Piasetzky，A.Schmidt的“核短程相关性的多因子分解和位置-动量当量” ，LB Weinstein，RB Wiringa和O. Hen，2020年11月9日，自然物理学。DOI：
10.1038 / s41567-020-01053-7
这项研究得到了美国能源部，Pazy基金会，以色列科学基金会和Clore基金会的部分支持。
