世界上最強大的超級電腦正在幫助解決十多年來困擾科學家的相互矛盾的研究結果，這也可能在坍縮恆星內部發出新的光芒。

美國能源部橡樹嶺國家實驗室的核物理學家最近使用世界上最強大的超級電腦 Frontier 計算了 cal-48 原子核的磁性。他們的研究結果發表在雜誌上 物理評論快報，不僅可以更好地理解磁性在其他原子核內如何表現，而且還有助於解決實驗之間長達十年的分歧，這些實驗對鈣 48 的磁性行為得出了不同的結論。此外，這項研究還可以為超新星內部發生的亞原子相互作用提供新的見解。

橡樹嶺國家實驗室的計算物理學家蓋特哈根 (Gaute Hagen) 表示：“鈣 48 核具有快速衰變的激發態，因為它具有很強的磁相互作用和最高的躍遷強度之一。” 「我們對控制原子核如何形成的規則非常感興趣。模擬calcium-48內部的基本力將幫助我們更好地理解它是如何形成的，也許還可以讓我們深入了解可能存在的其他原子核。”

Calcium-48 是一種用於科學研究的重要同位素。它的原子核由 20 個質子和 28 個中子組成，科學家將這種組合稱為「雙重魔力」。幻數（例如 20 和 28）是質子或中子的特定數量，它們透過在原子核內形成完整的殼層來提供穩定性。

cal-48 的強結合力和簡單結構也使其成為研究將粒子結合在一起或分解的強核力和弱核力的有趣測試對象。

就像打開電燈開關一樣，Calcium-48 散射的電子或光子會激發並激發原子核，使其變得有磁性並翻轉。這種作用稱為磁偶極躍遷，由單一中子的自旋翻轉所主導。

哈根和他的同事們正在尋求了解在那一刻發生的事情——這個問題困擾了科學界十多年。

長達十年的分歧

1980 年代初，科學家以不同的質子和電子束轟擊同位素來研究鈣 48 的磁偶極子躍遷。這些光束為原子核提供了大約 10 兆電子伏特（MeV）的能量，足以激發磁性訊號。

他們確定磁轉變的強度為 4 個核磁子的平方。磁子是核子物理學中用來描述原子核磁性行為的測量單位。

但在近三十年後的2011年，研究人員用伽馬射線研究同位素並將原子核激發到相同的能階後，得到了截然不同的結果。他們測量到的磁轉變強度幾乎是先前記錄的兩倍。

「作為核物理學家，我們根據最先進的核力理論模型從頭開始計算原子核，」聯合研究員托馬斯·帕彭布羅克（Thomas Papenbrock）說，他是橡樹嶺國家實驗室的物理學家，也是田納西大學諾克斯維爾分校的聯合教員。 “不同實驗之間的差異促使我們想知道如果我們使用這些理論模型來研究磁轉變，我們會得到什麼結果。”

釋放前沿

Frontier 超級電腦由位於橡樹嶺國家實驗室的美國能源部科學辦公室用戶設施橡樹嶺領導計算設施管理，是世界上第一台百億億次計算機，每秒可執行超過50 億次或10 億億次計算。該系統令人難以置信的運算能力使哈根的團隊能夠以驚人的效率和精度進行模擬。

該團隊使用一種稱為手性有效場論的模型將核現象與強核力的基本理論——量子色動力學理論聯繫起來。他們使用了一種強大的數值方法，稱為耦合簇方法來計算 48 鈣原子核的性質。該方法在高精度、細節和計算成本之間提供了折衷方案，使其成為 Frontier 的理想任務。

模擬結果顯示Calcium-48的磁轉變強度與伽瑪射線實驗的結果一致。

但揭示磁偶極躍遷並不是他們所做的全部。他們還研究了其他因素，例如描述核與其周圍環境相互作用的所謂連續體效應。此外，他們還研究了成對的核子（原子核內發現的粒子）在轉變過程中如何在原子核內相互作用，以及它們如何對整體電磁特性做出貢獻。

模擬表明，連續介質效應使磁轉變強度降低了約 10%。而且，與先前認為核子對相互作用會顯著抑製或削弱磁轉變強度的觀點相反，模擬表明，在某些情況下，這些效應會略微增加磁轉變強度。

「希望這能激勵實驗者重新審視他們的方法並做出重要的調整。或者，也許，隨著時間的推移，我們可以了解到20 世紀80 年代實驗中記錄的較低值實際上是正確的， 」哈根說。 “這意味著我們使用的理論是不完整的，這在很多方面也會令人震驚。但是，無論哪種方式，我們都會從中學到很多東西。”

「我們期望這些計算將激發理論家和實驗家之間的新討論，」帕彭布羅克補充道。 “目前，這把球重新放回了實驗主義者的球場上。”

從亞原子到天文學

研究的第一作者 Bijaya Acharya 是橡樹嶺國家實驗室理論與計算物理小組的博士後研究員。 Acharya 的主要職責之一是開發演算法，使團隊能夠在模擬中研究許多高階量子效應。他專門研究中微子——由恆星爆炸產生的微小粒子，它們以接近光速的速度穿越太空。中微子是由太陽核心的核融合反應產生的，也是由地球上的核反應器產生的。

阿查里亞說：“我們在坍縮超新星的核心深處看到了豐富的鈣 48，那裡也暴露了大量的中微子。” 「描述鈣 48 磁轉變強度的物理學也描述了中微子如何與物質相互作用。

「這表明，較大的轉變強度也意味著中微子更有可能與物質相互作用。因此，如果磁轉變強度的值比之前想像的要大，這意味著再加熱和與超新星爆炸中中微子相互作用相關的其他因素將對於較小的值，反之亦然，這當然會極大地影響我們對這些大型系統的理解。

橡樹嶺國家實驗室核天文物理學家兼小組負責人拉斐爾·希克斯解釋說，恆星就像煉金術士。超新星釋放的恆星塵埃含有多種新產生的原子核，在某些情況下包括鈣 48，這些新的重元素為新一代恆星和行星的產生奠定了基礎。

「除非你了解大自然將原子核組合在一起的規則，否則你無法理解大自然如何在恆星中做到這一點。這就是哈根計算的根本內容，」希克斯說。 “就像煉金術一樣，有人會將這些計算轉化為有趣的反應速率，然後這些反應速率將轉化為天文物理學計算，以幫助我們更好地了解宇宙。”