科学家解决了长期争论不休的原子核自旋异常问题

原子核的形状各异，从足球状(“长形”)到薄饼状(“扁形”)不等。长形和扁形具有不同的惯性矩。这是物体抵抗外力改变其旋转速度的能力。原子核具有不同的形状和不同的惯性矩，这意味着旋转不同的原子核需要不同的能量。

在之前的研究中，测量发现，对于快速旋转，例如在氖-20 或铬-48 等原子核中，旋转能量会发生意外变化。科学家将此归因于快速旋转时惯性矩的异常增加，可能是由于核物质膨胀所致。早期模型表明快速旋转的原子核最终会变成球体，但较新的模型发现了变形的形状。现在，大规模原子核模拟揭示了快速旋转原子核难以捉摸的物理学的令人惊讶的新解释。

近 50 年来，科学家首次通过最先进的原子核模拟准确计算出惯性矩，并研究了其假设的异常增加。氖-20 的模拟复制了能量测量。然而，令人惊讶的是，模拟并没有发现异常增加。相反，它们揭示了原子核内部的变化。

对铬-48 的类似微观模拟证实了这一令人惊讶的结果。此外，结果还解决了一个长期存在的问题：开始快速旋转的长核是变成球形还是扁形。这项发表在《物理评论 C》上的研究表明，出现了几种相互竞争的形状，一些是长形的，一些是扁形的，平均而言呈球形。

路易斯安那州立大学(LSU)本科生研究经历项目的一名学生与来自路易斯安那州立大学、圣地亚哥州立大学和捷克科学院的科学家一起，利用新开发的第一性原理对称适应无核壳模型理论，精确研究了氖-20 的形状内容。

该框架自然地描述了原子核的变形和团簇子结构。该框架通过构建尊重原子核内近乎完美对称性的块，实现了原本不可能实现的解决方案。这些最先进的核模拟揭示了形状的复杂量子叠加。这驳斥了 50 年前基于与经典旋转物体的类比的说法，即增加旋转会导致核惯性矩增加。

对于轻核，氖-20(具有 10 个质子和 10 个中子)一直是惯性矩假设增加的典型例子。在新颖的“对称性适应”计算中，惯性矩和核形状和固有结构(见上图中的图像 c)变化不大。相反，与附近的核态混合(使粒子自旋对齐并结合形状)会改变能量。

对铬-48 的类似计算证实，快速旋转的原子核看起来接近球形，这与一些模型一致。该模型发现，这种球形度是长球形和扁球形近乎均等混合的平均值(见上图中的图像 b)。这代表了对快速旋转原子核物理学的新见解。