由北卡羅來納州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究揭示了質(zhì)子和中子結(jié)合甚至經(jīng)歷量子相變的方式。這項(xiàng)工作對(duì)于理解核相互作用與自然界中發(fā)現(xiàn)的核結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系具有重要意義。

北卡羅來納州物理學(xué)家Dean Lee和合作者有興趣弄清楚質(zhì)子和中子如何結(jié)合形成原子核。這些粒子是宇宙的基石，它們聚集在一起形成核，如氦-4或α粒子，后者又在恒星內(nèi)的碳和氧的合成中發(fā)揮作用。

質(zhì)子和中子可以旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)，這四個(gè)不同的核子可以組合形成核。由于相同類型和自旋的兩個(gè)核子不能占據(jù)相同的狀態(tài)，因此氦-4核是特殊的，因?yàn)樗擅糠N類型的核子中的一種組成 - 質(zhì)子和中子的旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)變化。

Lee和來自波恩大學(xué)，波鴻大學(xué)，F(xiàn)orschungszentrum Juelich和密西西比州立大學(xué)的同事在數(shù)值晶格上進(jìn)行了量子蒙特卡羅模擬，以預(yù)測(cè)質(zhì)子和中子如何形成核，以及這些原子核如何相互作用。他們專注于核子之間相互作用的形式。具體而言，他們考慮了兩種類型的相互作用：局部相互作用，其中粒子相對(duì)于彼此的位置不會(huì)改變; 和非本地互動(dòng)，其中職位確實(shí)發(fā)生變化。

Lee和他的同事對(duì)由局部和非局部相互作用形成的多達(dá)20個(gè)核子的核進(jìn)行了模擬。他們最初的目的是使模擬更有效率，但他們很快發(fā)現(xiàn)了一些更有趣的東西。

“我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)我們沒想到的量子相變，”Lee說。“當(dāng)我們使用核子的局部相互作用將兩個(gè)氦-4核或α粒子放在一起時(shí)，它們粘在一起，但是在非局部相互作用下它們沒有。在零溫度下α粒子之間的相互作用決定了我們是否最終使用玻色氣體或核液體。這些α粒子相互作用取決于核子相互作用的強(qiáng)度和局部性。

“這告訴我們的是，大自然本身已接近我們以前從未見過的不穩(wěn)定性，”李補(bǔ)充道。“如果你改變了一個(gè)小參數(shù)，我們宇宙中的東西可能會(huì)非常不同。這些模擬為力量與結(jié)構(gòu)的連接提供了一個(gè)很好的窗口。”