澳门新葡萄京官网注册先别忙着“天使”,听核物理学家讲讲什么是马约拉纳费米子

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发布时间:15-08-10 17:43分类:技术文章 标签:放射性元素 放射性
放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线(如α射线、β射线、γ射线等)而衰变形成稳定的元素而停止放射(衰变产物),这种现象称为放射性。衰变时放出的能量称为衰变能量。原子序数在83(铋)或以上的元素都具有放射性,但某些原子序数小于83的元素(如锝)也具有放射性。而有趣的是,从原子序93开始一直到锫元素有以下特性:原子序是偶数的,半衰期都特别长。由于偶数元素的原子核含有适当数量的质子和中子,因此形成有利的配置结构。
对单一原子来说,放射性衰变依照量子力学是随机过程,无法预测特定一个原子是否会衰变。不过原子衰变的概率不会随着原子存在的时间长短而改变。对大量的原子而言,可以用量测衰变常数计算衰变速率及半衰期。其半衰期没有已知的时间上下限,范围可以到55个数量级。
有许多种不同的放射性衰变。衰变或是能量的减少都会使有某种原子核的原子(父/母放射核素)转变为有另一种原子核的原子,或是其中子或质子的数量不同,称为子体核素。在一些衰变中,父/母放射核素和子体核素是不同的化学元素,因此衰变后产生了新的元素,这称为核嬗变。
*早发现的衰变是α衰变、β衰变、γ衰变。α衰变是原子核放出α粒子(氦原子核),是*常见释放核子的衰变,不过原子核偶尔也会释放质子,或者释放其他特殊的核子(称为簇衰变)。β衰变是原子核释放电子(或正子)及微中子,会将质子转变为中子(或是将中子转变为质子)。核子也可能捕获轨道上的电子,使质子转变为中子,这为电子捕获,上述的衰变都属于核嬗变。
相反的,也有一些核衰变不会产生新的元素,受激态原子核的能量以伽马射线的方式释出,称为伽马衰变,或是将激发态原子核将能量转移至轨道电子上,轨道电子再脱离原子,称为内部转换。若是核子中有大量高度受激的中子,有时会以中子发射的方式释放能量。另外一种核衰变是将原来的原子核变为二个或多个较小的原子核,称为自发性的核分裂,出现在大量的不稳定核子自发性的衰变时,一般也会释放伽马射线、中子或是其他粒子。
地球上有28种化学元素具有放射性,其中有34种放射性同位素是在太阳系形成前*澳门新葡萄京官网注册,存在的。著名的放射性同位素例子是铀和钍;也包括在自然界中,半衰期长的同位素,例如钾-40;有15种是半衰期短的同位素,像镭及氡,是由原始核素衰变后的产物;也有因为宇宙射线而产生的,像碳-14*是由宇宙射线撞击氮-14而产生。放射性同位素也可由粒子加速器或核反应堆而人工合成,其中有650种的半衰期超过一小时,有数千种的半衰期更短。
衰变类型
放射性原子核能以许多不同的形式进行衰变以使自身达到更稳定的状态。下表中总结了主要的几种衰变类型。一个质量数为A、原子序数为Z的原子核在表中描述为(A,Z),“子核”一栏以这种描述方式指出母核衰变后产生的子核与母核的不同。例如,(A−1,Z+1)意为“子核质量数比母核少1(少一个核子),而原子序数比母核多1(多一个质子)”。
衰变类型 参与的粒子 子核 伴随核子发射的衰变类型: α衰变
原子核中放射出一个阿尔法粒子(A = 4,Z = 2)的衰变类型 (A−4,Z−2)
质子发射 原子核中放射出一个质子(p)的衰变类型 (A−1,Z−1) 中子发射
原子核中放射出一个中子(n)的衰变类型 (A−1,Z) 双质子发射
原子核中同时放射出两个质子的衰变类型 (A−2,Z−2) 自发裂变
原子核自发地分裂成两个或多个较小的原子核及其他粒子 — 簇衰变
原子核放射出一簇特定类型的较小的原子核或其他粒子(A1,Z1)
(A−A1,Z−Z1)+(A1,Z1) 各种β衰变类型: β-衰变
原子核中放射出一个电子(e− (A,Z + 1) )和一个反电中微子(ν
e)的衰变类型 正电子发射(β+衰变) 原子核中放射出一个正电子(e+
(A,Z−1) )和一个电中微子(ν e)的衰变类型 电子捕获
原子核吸收一个轨道电子并放射出一个中微子的衰变类型(衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在)
(A,Z−1) 双β衰变 原子核放射出两个电子和两个反中微子的衰变类型 (A,Z +
2) 双电子俘获
原子核吸收两个轨道电子并放射出两个中微子的衰变类型(衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在)
(A,Z−2) 伴随正电子发射的电子俘获
原子核吸收一个轨道电子,再放射出一个正电子及两个中微子的衰变类型
(A,Z−2)

马约拉那费米子的提出

80年前的1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore
Majorana)在研究β衰变理论时发现,如果假设中微子为其自身的反粒子,则β衰变理论得到的所有结果不变。因此他建议属于费米子家族的中微子和反中微子是同一种粒子。这就是现在被称为的马约拉纳费米子(Majorana
fermion)。

马约拉纳费米子不同于寻常的费米子,例如人们熟知的电子。电子的反粒子是正电子,而电子和正电子是不同的粒子。目前的基本粒子中尚没有从实验上证实的马约拉纳费米子。而根据β衰变理论,中微子有可能是马约拉纳费米子。目前唯一知道的能够直接验证马约拉纳费米子的实验是核物理中的无中微子双β衰变(neutrinoless
double-beta decay)。

在原子核中,存在着一种主要的衰变模式——β衰变,这是一个质子转化为中子的过程。它是宇宙中恒星爆炸和重元素合成的微物理过程的核心。

中微子又来自何方?

这里所说的中微子来自原子核的一种自发变化过程:β衰变(beta
decay)。β衰变使自然界中不稳定原子核趋向于稳定,使原子核处于一个更加适当的质子-中子比例。例如,如果衰变前的初始原子核(母核)中的质子太多,β衰变会把一个质子变成一个中子,同时发射出一个正电子和一个中微子。这个过程是正β衰变。同样,如果初始母核里的中子太多,β衰变将把一个中子变成一个质子,同时发射出一个电子(正电子的反粒子)和一个反中微子。这个过程叫做负β衰变。

母核和子核是不同的原子核。和母核相比起来,子核一般更加稳定。正是由于这样的过程,自然界选择了那些地球上能够存在的元素以及各种元素之间的比例。美籍华裔物理学家吴健雄在1957年实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒就是利用了钴-60原子核的负β衰变,而β衰变放出的电子或正电子则是贝克勒尔和居里夫妇在19世纪末、20世纪初发现的放射性的一种。β衰变是个弱相互作用过程,每次β衰变的发生必然伴随一个中微子或反中微子的产生和释放。推而广之,双β衰变,例如接连两次负β衰变,必有两个电子和两个反中微子放出。

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如何才能验证马约拉纳费米子存在?

双β衰变这个概念最初是由玛丽亚·格佩特-梅耶(Maria
Goeppert-Mayer,美籍德裔核物理学家,继居里夫人之后的第二位女诺贝尔物理奖得主)早在1935年提出的。寻常的两次负β衰变释放出两个电子和两个反中微子,这已经在实验中得到验证。容易推测,若中微子为马约拉纳费米子的话,则双β衰变也能够在不释放任何中微子的情况下完成,这个过程被称为无中微子双β衰变。

在无中微子双β衰变中只能看到一对电子或一对正电子,而看不到中微子的发射。最简单的理论表明,这是因为一正一反的两个中微子互相湮灭,等价于后一个核物理过程中吸收了由前一个释放出来的中微子。也就是说,如果实验上证明了无中微子双β衰变确实存在,则说明中微子可以是马约拉纳费米子。这是真正的马约拉纳费米子唯一可靠的实验验证。

尽管β衰变如此重要,但我们还没有完全理解它。在过去的50年中,物理学家一直被一个问题困扰着:为什么在原子核内观测到的β衰变率比自由中子的β衰变率要小一些?物理学家一直无法从第一原理出发找到一个合理的解释。直到最近,美国橡树岭国家实验室的科学家参与的一项国际合作终于揭开了这个半个世纪之前的谜题。

为什么至今无法验证真正的马约拉纳费米子?

然而在马约拉纳预言80年后的今天,人们仍没有在实验上确信无中微子双β衰变是否存在。其原因是无中微子双β衰变在自然界中是极其稀有的事件。首先是这个过程只能发生在很少几个原子核中。其次是无中微子双β衰变是个极其缓慢的核过程,等待它自发地出现一次需要相当长的时间。这导致观测到的概率非常非常之小,因此实验极其困难。尽管如此,实验观测无中微子双β衰变一直是核物理研究最重要的领域之一,国际竞争非常激烈。

由此可见,目前所有寻求和发现的不是真正的马约拉纳费米子。马约拉纳在80年前预言的马约拉纳粒子还没有被实验证实,因为真正“捕获”到中微子的任何一点信号都是非常困难的事情。马约拉纳粒子的最终发现将帮助我们进一步认识宇宙的历史和未来、物质的起源和演化、以及自然界中元素的形成。另外,马约拉纳所建议的还是一种费米子,不是玻色子和费米子之外的第三类微观粒子。它是一种特殊的基本粒子,其反粒子就是它本身。不过“马约拉纳”已经被凝聚态物理借用来表示一类粒子(不是基本粒子,而是大量粒子和环境相互作用下产生的演生粒子或准粒子),这类粒子的特点是反粒子就是它本身。(编辑:婉珺)

为了解决这个问题,研究小组模拟了锡-100衰变为它在元素周期表上的相邻元素——铟-100的过程。这两种元素拥有相同数量的核子,不同的是锡-100拥有50个质子,而铟-100拥有49个质子。

题图来源:KeywordSuggest.org

 

要精确地计算β衰变不仅需要准确地模拟母核与子核的结构,还需要考虑两个核子在转变过程中的相关的相互作用,这个附加的考量给研究人员带来了巨大的计算难题。

过去,核物理学家通过插入一个基本常数来协调观测到的衰变率之间的差异,这种做法被称为“熄火”。但研究小组发现,有了像ORNL的泰坦超级计算机这样的机器之后,就没有必要再人为地插入一个数学常数了。

ORNL的计算科学家Gustav
Jansen说:“没有人真正理解为什么这个熄火因子会起作用。我们发现,这个问题很大程度可以通过在衰变中包含两个核子来解释,比如两个质子衰变成一个质子和一个中子,或者一个质子和一个中子衰变为两个中子。”

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第一原理计算表明,与自由中子里的β衰变相比,原子核中的β衰变会因两个核子之间的强相关性和相互作用而减缓。|
图片来源:Andy Sproles/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of
Energy

许多元素的放射性同位素的衰变会持续很长一段时间,例如碳-14的半衰期是5730年。但也有其他一些原子核会迅速衰变,在发射出粒子而变得稳定之前,只会存在不到一秒钟的时间。

中子的β衰变过程会释放出一个电子和一个反中微子。当锡-100转变成铟-100时,原子核经历的是正β衰变,质子会转化为中子,同时释放出一个正电子和一个中微子。

锡-100的质子和中子数量相等,因而会表现出异常高的衰变率,这就为研究小组提供了一个强有力的信号来验证结果。此外,锡-100原子核是“双幻核”,它的质子数和中子数都是50这个幻数,这样核子在填充原子核内已定义的壳层时,会使原子核具有较强的束缚性和相对简单的结构。研究小组使用一个被称为NUCCOR的代码编程解决核的多体问题,这个代码擅长在核素图中描述双幻核。

另一位研究人员Thomas
Papenbrock说:“像锡-100这样的双幻核并不像其他许多原子核那么复杂。因此我们就可以使用耦合团簇方法可靠地计算它,这个方法会考虑到单个核子之间的作用力,并据此计算大型原子核的性质。”

然而,为了模拟β衰变,研究小组还必须计算铟-100的结构,这是比锡-100这样的双幻核更为复杂的原子核,因而需要更精确地处理核子之间的强相关性。研究小组借鉴了量子化学中将电子当作波来处理的想法,最终成功地开发出了模拟这些过程的技术。

ORNL的物理学家Titus
Morris说:“在这个例子中,我们处理的是核子而不是电子,但是量子化学的概念帮助我们走出双幻核,扩展到具有开放的原子核壳层的区域。”

与宇宙中的物质形成相关的一些问题是最令人困惑的谜团,而这项成就让物理学家在寻找这些问题的答案时更加充满信心。研究小组已经证明,他们对β衰变的理论计算与实验的精度相当,他们希望利用像ORNL的Summit新型超级计算机这样强大的机器来指导当前和未来的实验。

除了常规的β衰变,研究人员也想要计算无中微子双β衰变,在这个过程中,有两个中子衰变为质子,且不释放任何中微子。如果观测到这个过程,将开拓出重要的新物理,并有助于确定中微子的质量。他们目前正在使用Summit来模拟另一个双幻核——钙-48,研究它如何经历无中微子双β衰变。

ORNL的科学家Gaute
Hagen说:“目前,用来研究无中微子双β衰变的不同原子核模型之间可能相差六倍之多。我们的目标是为其他模型和理论提供一个基准。”

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本文经原理微信公众号授权转载

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