特定の数値セットは数十年にわたって核物理学研究の根幹を形成してきましたが、今ではそれが原子粒子と力の量子混合からどのように生じるのかがついにわかりました。

約 80 年前、物理学者のマリア ゲペルト マイヤーは、原子核に 50 個や 82 個などの一定数の陽子と中性子があると、原子核が非常に安定になることを示しました。それ以来何年にもわたって、研究者たちは、宇宙で最も安定しており、したがって最も豊富に存在する元素に含まれる、さらに多くのそのような「魔法の数」の証拠を収集してきました。

ゲッペルト マイヤーと彼の同時代人は、陽子と中性子が異なるエネルギー レベル、つまりシェルを占有すると提案することで、これらの数値を説明しました。このモデルは今でも多くの核物理学実験を説明するために使用されており、原子核内の各粒子を独立したものとして扱いますが、私たちの最良の量子理論では、原子核内の粒子は実際には強く相互作用していると主張しています。

中国の中山大学のヤオ・ジャンミン氏らはこのパラドックスを解決し、その過程でこれらの相互作用から魔法の数字がどのように現れるかを明らかにした。

ヤオ氏によると、シェルモデルは実験からの入力に依存しており、各粒子間の相互作用の詳細はエンコードされていないという。代わりに、彼と彼のチームは第一原理から計算を開始しました。つまり、粒子がどのように相互作用するのか、どのようにくっつくのか、そしてそれらを引き裂くのにどのくらいのエネルギーが必要なのかをより詳細に数学的に記述しました。

ヤオ氏は、これらの説明は両方とも、それぞれ低解像度および高解像度で撮影された画像と一致していると述べています。 「以前は、システムを低解像度で直接モデル化するか、高解像度で原子構造を理解しようとしていました。私たちは最新の手法を使用して、これらの記述の間に橋を架けました。」

彼と彼の同僚は、高解像度の詳細から開始し、計算の各ステップで徐々にぼかし、粒子の構造がどのように変化するかを追跡しました。

数学的ブリッジを進めるにつれて、研究者らは粒子の量子状態の対称性の変化に気づきました。これらの状態の方程式に基づいてグラフを描くと、異なる解像度で異なる対称性を持つ形状が生成されることになります。この変化により、粒子が魔法の数にグループ化されたときに最も安定する原子構造が得られました。

フランス代替エネルギー・原子力委員会のジャン＝ポール・アブラン氏は、この研究は実験がどのように機能するかを示す理論的探査、つまり一種の数学的顕微鏡を提示していると述べている。 「自然は観察する解像度によって違って見えます。それは。」 [study] 「それは実際に私たちが実験的に行っていることと一致しています。」

研究者らが特定した対称性の変化は、アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論で説明される効果に関連しているとエブラン氏は述べ、したがって、魔法の数が原子理論のさまざまな側面をどのように結びつけているかの全体像を提供するという。

これまでのところ、研究者らは、各原子核に50個の陽子と82個の中性子、さらにいくつかの追加原子核が含まれているため、二重に魔法のようなタイプのスズに関する理論的研究をテストしてきた。今後は、通常は不安定なより重い原子核にも分析を拡張し、星の爆発や中性子星の合体で重い原子核が生成されるプロセスを研究したいとヤオ氏は言う。