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用了将近二十年的时间,我们开始改变对于核结构的基本看法 精选

已有 5947 次阅读 2023-4-7 13:51 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

    过去的这个寒假,发生了很多事情。对于我来说,最重要的是关于核结构的一些新的工作。在去年的工作基础之上,做了四篇新的工作。虽然很多问题依然没有搞清楚,但是最基础的一些特征已经开始显现。虽然这些工作正在投稿之中,但是很多东西已经彻底改变了。

    2003这个时候,我已经知道我考上了辽宁师范大学的硕士,学习核物理方向,老师是这个领域非常有名望的大人物(在那个时候这就是我的直观想法)。等我开始研究生学习后,老师给我的题目却是关于某个模型的量子相变的(已经记不清楚了),这让我有些失望。到年底的时候,我跟我老师说,想换个方向,于是老师让我研究核结构中的相互作用玻色子模型,让我编一个程序。

    这个程序编了很多年,因为发生了很多事情。在开始的时候,我没有看到编这个程序的意义在哪里。后来随着我对这个模型的了解越来越多,我开始意识到是有些问题需要回答的。相互作用玻色子模型,是核结构领域的代数模型,是在1975年由Arima和Iachello提出的,是核结构领域最漂亮的理论,也是被认为应该获得诺贝尔物理学奖的工作。不过当时给我的感觉,这个模型比较一般,因为它好像没有给出新的物理。

    对于原子核的集体激发,最早的模型自然是阿格.玻尔和莫特尔逊,这个模型可以描述球形的振动激发模式和各种形变下的激发模式。这个模型的问题是,它的出发点是一个经典的几何体,这个是不现实的。相互作用玻色子模型的提出,克服了这个问题,加入了有限核子数的效应,但是物理上没有得到新的东西,给我的感觉仅仅是数学上更加漂亮,对于现实原子核的描述更加容易和准确。

    但是在我研究这个模型的时候,有些东西开始让我困惑,就是这个模型本身在描述实际的原子核的时候,不是像我想象的那么准确,这是不应该的。对于偶偶核来说,由于配对的原子核的角动量是0和2,所以投影下的玻色子构建了一个SU(6)群的表示空间,这是这个模型最重要的原理。这个想法是这个模型应该拿诺贝尔物理学奖的基础,非常的具有洞察力。把一个复杂的原子核系统和动力学对称性直接联系在了一起,让人豁然开朗,当时给我的冲击力也是非常大的,是我一直坚持做这个模型的原因,它实在是太漂亮了。

    于是有一个问题就出来了,这个模型下,原来讨论问题的方式有拼凑之嫌,并且对于实际原子核的集体激发模式的拟合好像不是那么好,这让我非常奇怪,因为一些结果是完全定性的不符合的,是不应该的。当时我自己对这一点还没有一个充分的认识,因为那个时候太年轻了,经验不足,但是我能感到有些问题,这是肯定的。在我的硕士工作做拟合的时候,出现的问题让我并不舒服。这个模型的原理没有任何问题,那么对于原子核的拟合就应该没有任何问题,这是我的观念,有问题的是表述这个原理的具体哈密顿量本身。

    同时,那个时候,这个模型中的高阶项也是有人讨论的,主要是Isacker做了重要的贡献。很多是从数学上考虑的,比如他在1999年的关于O(6)的三体作用的工作让人印象非常深刻,吸引了我老师,也吸引了我。特别是他和他的合作者在2000年的一篇工作,讨论了壳模型中的代数方法和这个模型的高阶对应,让人非常惊奇,无法判断。

    总而言之,虽然我不清楚继续做下去究竟能干什么,但是我感觉还是需要做的,于是就是继续编程序。直到2017年之后,我又开始思考这些问题。这时候,许多问题就变得更加清晰了,也许就是时候到了。

    2018年底,我开始注意到一些实验上的不同凡响的新结果。这里边关键是球形核疑难,当我看到这个新结果的时候,脑袋嗡嗡的。我对自己说,你怎么以前没有注意到他呢?当玻尔研究原子结构,看到原子氢光谱的巴尔末公式的时候,也一定是这个心情吧!对于玻尔是幸运的,玻尔很快就知道了那个公式。对于我来说,却是很多年以后了。因为这类实验结果开始出现的时候,我已经开始放弃核结构的思考了。即使没有放弃,实际上也很难注意到他。因为这个让人震惊的结果,出现在形状共存的实验研究之中,而我以前对这个问题没有兴趣。

    在这个实验中,他们否定了刚性球形核的振动模式,实验的结果不支持这个结论。这让人震惊,球形核如果不是对的,那么我们对于原子核结构的理解就都是有问题的。这是核结构领域最重要的新结果。这个实验结论,就好像宇称守恒一样。在粒子物理学领域,很长一段时间,都认为在各种相互作用中,宇称是守恒的,但是这个观念实际上从来没有被验证过。直到杨振宁先生和李政道先生,对于过去的弱作用的实验进行分析,指出它们与宇称无关,并且找到了判断宇称的关键物理量,提出了新的实验验证,最后被吴健雄先生和其他研究者用实验证实弱作用宇称不守恒,这个观念才开始改变。一个没有被实验证实的观念长期的被认为是正确的,这对于球形核也是如此。

    在原子核被提出以后,我估么研究者就会认为如果考虑它的形状,那么它就一定是球形的。后来发现了长椭球形的转动模式,但是球形核的观念并没有改变,而是变成了一部分原子核是球形的。这种观念在核结构中从来没有改变过。我的硕士工作,就是讨论原子核形状的相变,很多的理论研究工作,都是在球形核存在的前提下开展的。如果球形核不存在,那么这些核结构的理论工作不都是变成了胡扯了么?

    当球形核的观念被实验否定后(当然一些人依然在坚持,很多人实际上一直还是不知道,核结构是一个非常冷的研究领域,估么只比绝对零度多一点,不但外界不知道,就是做核结构的也彼此不了解),Garrett、Wood等人就开始转变观念,提出所有原子核都是有形变的。

    于是我就把我研究的新模型拿来讨论这个问题。2011年,Fortunato等人在以前的两体作用的一般形式上,加入了三体项。这个工作我在2011年之前很长的一段时间内也是讨论的,但是我没有找到关键的地方。当我后来看到这篇文章后,立刻就明白了这里边的关键点,就是SU(3)极限下的三体项可以描述扁椭球形。他们提出的哈密顿量的能级是混乱的,后来我把一个三体项加了进去,然后出现了清晰地规律性。当然这一点在后来看是非常明显的。

    新的模型里边,出现了一种新的γ软的的模式。我发现这个的时候,还没有意识到它和球形核疑难有关,这让我困惑。这个发现,和球形核疑难,应该是差不多的一段时间内注意到的,但是我反应还没有那么快。到了2019年下学期开始的时候,我突然灵光一线,也可能再早一些?记不清了。我于是开始兴奋的做计算,结果真的让我震惊,这个新的模式,和球形核疑难中的Cd核的正常态的集体模式,几乎一样!

    文章的发表过程当然非常困难,所幸在去年7月份,终于出来了,发表在CPC上。我相信,这篇文章将会拥有越来越大的价值。

    2019年底,我注意到了另外一个奇特的现象,就是B(E2)反常问题。这个问题中,让核结构学家的信念再一次出现了动摇。这两边涉及到两个物理量,可以用来区分集体激发模式,和单粒子激发模式,在以前的实验中,他们要不然同时出现集体的特征,要不然同时出现单粒子的特征。但是在这里,一个是单粒子的特征,一个是集体的特征,让人真正的大吃一惊。

    于是我用我的新模型,做了计算。开始的时候不懂发生了什么,于是就是暴力拟合,结果用了两个礼拜的时间,居然真的出现了B(E2)反常的现象,让我大吃一惊。那个时候,我对于三体作用其实是不太清楚的。这篇文章在第二年发表在了EPL上。

    去年,辽宁师范大学的张宇教授进一步完善了解释该反常的机制,我们有了一个完美的理论,新模型也开始展现威力。

    这让我也更加惊奇。于是开始思考这些结果究竟意味着什么,去年的一些博客的文章反映了我的一些看法。我没有急着进一步做计算,我花了很长时间来思考我得到的稀奇结果,我开始真正意识到,我手里有着一个金蛋。我意识到,关于核结构的观念的变革其实已经开始了。不仅实验上出现了新的现象,而且理论上我们也开始新的发展。

    1932年,中子发现后,科学家开始意识到原子核是由质子和中子组成的,核结构的研究就开始了。随后1949年壳模型的建立,1950年过后的几何模型的建立,迅速地改变了我们对于原子核结构的看法。原子核居于现实世界中一个非常重要的尺度上,对于它的研究自然是极其重要的。难度在于,我们至今依然没有一个完整的理论,而只有很多模型。这些模型都是从不同的方面,反映了原子核的特征。当然有的模型,认为自己可以解释一切核结构现象,对于这个我也不知道该说什么。

    在很长的时间内,我们形成了关于核结构的基本看法,似乎已经成为了铁律,也禁锢了研究者的观念。特别是,当实验的结果出现后,这种观念依然没有及时变化,这才是问题的关键,是不应该的。当然,可能还有研究者到了现在还不知道发生了什么,等着自己的热点呢。

    科学研究,是发现真理,而不是维护自己的观念,乃至自己的所认为的,实际上并不存在的权威。

    当我想明白后,去年的年底的时候,开始做进一步的计算。我相信,实验的结果才是判断对错的标准。我讨论了196Pt,这个原子核是γ软核的典型。我惊奇的发现,新理论比老的模型对于这个γ软核有着更加准确的描述!更加重要的是,我对一系列长椭到扁椭的原子核做了讨论,新模型给出了我都没有想到的演化特征。原来看起来奇怪的一些演化数据居然在新模型中直接显现了出来。

    这让我非常震动,原来一个正确的理论,它的确会告诉你更多的东西!以前我对于新模型还是信心不足的,但是现在我开始相信,我找到了前往核结构新大陆的地图。新模型当然不能完全揭示最终理论的特征,但是已经开始改变我们对于核结构的看法,是一把钥匙。

    1975年,Arima和Iachello做出了惊人的发现,建立了相互作用玻色子模型。但是由于实验上的不足,这个模型更像是几何模型的一个代数版,引入了有限粒子数的效应,能够很简单的讨论所有中重原子核集体激发模式的性质,以至于不同形状之间的演化。即将过去50年的今天,在我们的手中,这个模型正在发生惊奇的变化,成为了通向隐秘之地的钥匙。它能给出新的集体模式,解释新的实验结果,给出新的物理!

    从现在看来,以前的简单模型肯定是错误的,这是科学发展的必然。我们给出了更好的建构模型的标准,也提出了更好的描述实际结果的模型形式。

    关键自然是实验。老的模型形式迎合的是老的观念,我们的研究是第一个与新实验连接的工作,开启了核结构研究的新世界。这个新的模型,不仅包含了新实验的结果,而且对于老的实验数据给出了更加合理准确的描述,所以我开始相信我们的工作将深深的改变核结构研究者对于整个核结构领域的理解方式,虽然这才仅仅是开始。




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