Per molti di noi, il termine "doppiamente magico" può evocare immagini di Penn &Teller. Però, per i fisici nucleari, descrive nuclei atomici che hanno una maggiore stabilità rispetto ai loro vicini grazie ad avere gusci che sono completamente occupati sia da protoni che da neutroni. I fisici teorici dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno recentemente utilizzato Titano, Il supercomputer più potente d'America, per calcolare la struttura nucleare del nichel-78, composto da 28 protoni e 50 neutroni, e ha scoperto che questo nucleo ricco di neutroni è davvero doppiamente magico. I risultati, pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , può migliorare la comprensione dell'origine, organizzazione e interazioni della materia stabile.

"Utilizzando i calcoli del primo principio eseguiti su Titano, abbiamo confermato che un nucleo molto esotico di cui si sa poco, nichel-78, è doppiamente magico, " disse il fisico teorico Gaute Hagen, che ha eseguito lo studio con Gustav Jansen e Thomas Papenbrock. Il DOE Office of Science ha sostenuto la ricerca.

Si pensa che il termine "doppiamente magico" sia stato coniato da Eugene Wigner, ex direttore di ricerca e sviluppo della struttura dell'era del Progetto Manhattan che divenne ORNL. A numeri magici, che includono 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126, o i protoni oi neutroni riempiono gusci completi del nucleo di un atomo. I gusci per i protoni e i gusci per i neutroni sono indipendenti l'uno dall'altro. Se il numero di protoni e il numero di neutroni sono entrambi magici, si dice che il nucleo sia "doppiamente magico".

"L'energia di legame, o energia necessaria per rimuovere un protone o un neutrone, è più grande per i nuclei doppiamente magici rispetto ai loro vicini, Hagen ha spiegato. La carta nucleare mostra che diversi isotopi doppiamente magici - elementi atomici che si comportano chimicamente in modo identico ma che fisicamente differiscono nel numero di neutroni - esistono vicino alla "valle della stabilità, " la regione che comprende tutti i nuclei stabili e longevi. Esempi sono elio-4, ossigeno-16, calcio-40, calcio-48 e piombo-208.

Lontano da questa valle è una frontiera, chiamata "linea di gocciolamento di neutroni, " a cui non possono essere aggiunti più neutroni senza perdita di legame nucleare. "Se aggiungi un altro neutrone al nucleo, il nucleo cade a pezzi, o il neutrone "gocciola" fuori dal nucleo, "Hagen ha detto. "Definisce i confini della carta nucleare, che include tutti i nuclei che esistono e sono legati dalla forza forte."

Il lavoro del team dell'ORNL affronta domande come:quanti neutroni possono essere aggiunti a un nucleo prima che si sfaldi? Quanti nuclei stabili esistono? In che modo i nuclei atomici più leggeri catturano i neutroni per creare elementi più pesanti nelle stelle?

"Con questo nucleo pesante, abbiamo 78 protoni e neutroni che interagiscono fortemente come gradi di libertà fondamentali, e le interazioni tra loro che cerchiamo di descrivere, Hagen ha spiegato. "Risolvere numericamente questo problema di meccanica quantistica a molti corpi è tremendamente costoso. Non puoi risolverlo su un pezzo di carta. Hai bisogno di un supercomputer."

Per chiarire le basi della magia del nichel-78, i membri del team si sono rivolti al sistema informatico Titan Cray XK7 presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, un DOE Office of Science User Facility presso ORNL. Hanno eseguito il codice della struttura nucleare NUCCOR (Nuclear Coupled Cluster at Oak Ridge) per circa 5 milioni di ore di unità di elaborazione centrale, assegnati attraverso il programma Impatto innovativo e innovativo sulla teoria e l'esperimento, o INCITA. Attraverso il Center for Accelerated Application Readiness dell'OLCF, Hagen conduce il lavoro per migliorare gli algoritmi utilizzati in NUCCOR per calcolare nuclei più grandi in modo più efficiente su supercomputer sempre più potenti.

"Questo è il primo calcolo realistico della struttura del nichel-78 e dei suoi vicini dai primi principi, " disse Hagen. Un nucleo ha molte configurazioni energetiche. Nelle loro simulazioni, i fisici dell'ORNL hanno calcolato il primo stato eccitato nel nichel-78 e in un vicino, nichel-80. Gli sperimentatori di RIKEN in Giappone hanno recentemente misurato questo stato, e sarà interessante confrontare la previsione teorica ORNL con quei dati. Il calcolo ORNL predice questo stato nel nichel-78 da una correlazione con lo stato simile del calcio-48 precisamente noto. Ha rivelato "una firma di magia" per il nichel-78, ha detto Hagen.

"La nostra previsione dice che puoi aggiungere uno o due neutroni al nichel-78, e il nucleo sarà ancora legato. Prevediamo che la linea di gocciolamento si estenda oltre il nichel-80, " Hagen ha detto. "Anche questa è stata una scoperta importante".

Prossimo, gli scienziati esploreranno nuclei stabili più pesanti, come tin-100 e i suoi vicini. Poiché tin-100 si trova proprio sulla linea di gocciolamento del protone, l'aggiunta di un altro protone provoca la disgregazione del nucleo. "Queste sono tutte caratteristiche interessanti del nucleo che possiamo calcolare, "ha detto Hagen.

Il titolo di Lettere di revisione fisica la carta è "Struttura di 78Ni dai calcoli dei primi principi".