近日，研究人員利用美國能源部橡樹嶺國家實驗室的Frontier超級計算機，成功開發出一種可以詳細預測核特性的新技術。這項研究不僅揭示了原子核的結構與將其結合在一起的力之間的關系，還有望推動量子物理學以及能源生產、國家安全等多個領域的發展。

從左到右，以越來越高的分辨率照亮了變形的旋轉原子核，能量水平越來越高。圖片來源：Güne? Özcan/ORNL，美國能源部

路易斯安那州立大學(原橡樹嶺國家實驗室成員)的孫鐘浩表示：“我們可靠的預測將為核力和結構的研究帶來新的見解。”

這項研究成果已發表在《物理評論X》雜志上，它深化了人們對原子核在原子層面上的結構及其亞原子粒子行為的認識。原子核具有旋轉特性，其形狀既可以是圓形，也可以是變形的橄欖球狀。然而，歷史上建立一個能夠準確捕捉這些特征(如形狀、旋轉的小能量以及將原子核結合在一起的大結合能)的計算模型一直是一項挑戰。

橡樹嶺國家實驗室的Gaute Hagen指出：“在極低的分辨率下，原子核可能被看作是旋轉的液滴。但隨著分辨率的提高，我們可以看到更多關于內部結構的細節，并更深入地了解亞原子粒子如何相互作用以形成原子核。”

橡樹嶺國家實驗室領導的團隊利用 Frontier 超級計算機(世界上第一個百億億億次級系統)模擬了具有科學意義的原子核。圖片來源：Carlos Jones/ORNL，美國能源部

在研究中，橡樹嶺國家實驗室領導的團隊利用Frontier超級計算機(世界上第一個百億億億次級系統)模擬了具有科學意義的原子核。通過建模不同能級的各種粒子行為，研究團隊獲得了對這些行為變化的更好理解。將所有因素統一到一個精確模型中，這得益于Frontier強大的計算能力。Frontier的百億億次級計算能力每秒可進行超過一千萬億次計算。

研究結果顯示，一種名為30-neon的稀有原子核同時具有圓形和變形兩種形狀。通過進行數百萬次計算，研究小組揭示了將亞原子粒子結合在一起的強核力是如何驅動這種變形的。基于這些結果，研究小組開發了新的核特性模型。這些模型雖然需要使用Frontier進行創建，但可以在筆記本電腦上運行，以便進行廣泛的未來研究。

孫鐘浩表示：“我們引入的新技術確實改變了游戲規則，使我們能夠精確計算變形原子核的結構和行為。這處于核科學研究的前沿。”

此項研究得到了美國能源部科學辦公室核物理辦公室和高級科學計算研究辦公室的支持。Frontier超級計算機位于橡樹嶺領導計算設施，這是美國能源部科學辦公室的一個用戶設施。