A novel projected shell model method for nuclear level density

在每个原子的核心深处，都存在着一个繁忙而混沌的世界，质子和中子在那里挤在一起，受着违背我们日常直觉的力量所束缚。对于研究恒星如何锻造新元素或核反应堆如何产生能量的科学家来说，需要一个关键信息：这些微小粒子在不同能级上有多少种不同的排列方式？这个计数被称为核能级密度，它就像一张地图，用于预测原子在碰撞或吸收能量时的行为。如果没有准确的地图，我们对宇宙大爆炸或核废料管理的理解将是不完整的。几十年来，研究人员一直依赖统计学上的猜测来填补无法直接测量部分的空白，假设随着能量上升，可能的排列方式会简单地呈平滑且可预测的曲线增长。然而，原子核的真实结构远比简单的粒子气体复杂得多，而这些粒子如何配对以及如何拆解的细节，在难以探测的高能区域中一直是一个谜团。

上海交通大学和西南大学的研究团队现在通过对一种特定且研究充分的原子——镝-164（dysprosium-164）应用一种新的、强大的计算方法，揭开了这一层神秘的面纱。这是一种重型的稳定原子核，具有天然的形变，意味着它的形状更像一个橄榄球而非完美的球体。科学家们使用了一种称为投影壳模型（projected shell model）的技术，该技术不将原子核视为一个光滑的团块，而是将其视为由可以配对或拆解的单个粒子组成的集合。通过构建一个庞大的可能排列库——从简单的配对到多达六个拆解对的复杂组合——他们能够以处理如此重型系统此前无法实现的精度，求解控制原子核能态的方程。他们成功的关键在于计算机算法的突破，这使得他们能够处理这些相互作用的巨大复杂性，而不必简化物理过程。

当研究人员将计算结果与已知的实验数据进行对比时，发现其在低能级的匹配度惊人地完美，证实了他们的方法正确识别了实验室中已经观察到的特定粒子排列方式。但在高能区间，即原子核开始拆解其内部配对的区域，这项研究揭示了一些全新的东西。与长期以来的观点——即一旦第一对粒子发生拆解，可能状态的数量就应该开始呈指数级增长——相反，数据展示了一个明显的停顿。在2.3到4.0百万电子伏特的能量范围内，这些状态的增长趋于平缓，形成了一个平台，呈现出阶梯状结构而非平滑的斜坡。这个平坦区域表明，原子核在第一对粒子拆解后并不会立即改变其结构，而是等待第二对粒子同时拆解，之后可用状态的数量才会再次爆发式增长。

这一发现挑战了关于原子核在压力下如何表现的标准教科书观点。研究人员发现，可能状态数量的突然跳跃并不是渐进发生的；相反，它被延迟到了中子对和质子对同时拆解时，从而创造出一种新的、更复杂的构型。这种延迟创造了一个特定的能量“窗口”，在此窗口内，原子核的结构表现出异常的稳定性，这一特征可能会显著改变科学家计算原子捕获中子的概率的方式——而这是一个对于理解宇宙中重元素如何形成的至关重要的过程。研究还检查了这些核态的“自旋”（即旋转速度）是如何分布的。旧理论认为，这种分布在所有高能状态下都遵循平滑的钟形曲线，但新的计算表明，这种模式只有在原子核达到极高能量的真正混沌状态时才会出现。在低于该阈值的水平，分布是不规则的，并且高度依赖于粒子的具体配对方式，这证明了即使在最剧烈的能量时刻，原子核的内部结构也会留下清晰的指纹。

这项工作的意义不仅在于修正图表上的曲线。通过证明核态的增长并非简单的连续攀升，而是由明显的步骤和停顿所标记，该研究表明，目前用于核工程和天体物理学的模型可能需要修订。如果某些能量范围内的可用状态数量低于预期，那么关于核反应发生速度的计算可能会发生变化，这可能会影响从恒星生命周期到未来医用同位素设计的各项预测。研究人员不仅仅是发现了一个新数字；他们揭示了原子核组织自身的一种隐藏节奏，表明即使在最混沌的环境中，自然也遵循着一种结构化的、循序渐进的逻辑，而这种逻辑现在第一次被清晰地观测到了。