Da più di un decennio, un team interdisciplinare di chimici e fisici in Arts &Sciences presso la Washington University di St. Louis ha inseguito il nucleo atomico. Con studi progressivi, hanno spostato la catena degli elementi al calcio-48, una merce solida estremamente rara che ha più neutroni che protoni e, come tale, porta un pesante cartellino del prezzo di $ 100, 000 per grammo.

È un materiale bizzarro, con questo particolare studio che ha portato i chimici dell'Università di Washington Robert J. Charity e Lee G. Sobotka dal Laboratorio nucleare di Duke's Triangle Universities al Laboratorio Nazionale di Los Alamos (N.M.) del Dipartimento dell'Energia.

"Se lo lasci su un tavolo, si trasforma in polvere, " ha detto il co-autore Charity, un professore di chimica in Arts &Sciences. "Il calcio si ossida molto rapidamente nell'aria. Era una preoccupazione."

In definitiva, tre grammi di Ca-48 hanno contribuito a produrre una scoperta a doppio taglio per Charity e il co-autore Willem H. Dickhoff, professore di fisica. Il loro team ha scoperto sia una struttura per prevedere dove i neutroni abiteranno un nucleo sia un modo per prevedere lo spessore della pelle di un nucleo.

Nella loro ricerca pubblicata il 29 novembre in Lettere di revisione fisica , hanno predetto come i neutroni avrebbero creato una pelle spessa, e che questa pelle di Ca-48 - 3,5 femtometri (fm) di raggio - misurava 0,249 + 0,023 fm.

Per convertirlo in centimetri, misurerebbe 2.49×10 ^-14 cm. I ricercatori affermano che la scoperta chiave è che la pelle è più spessa e più ricca di neutroni di quanto si credesse in precedenza.

"Questo ci collega all'astrofisica e, in particolare, fisica delle stelle di neutroni, " Dickhoff ha detto dei risultati della ricerca. "L'esperimento di Los Alamos è stato fondamentale per l'analisi che abbiamo perseguito. Alla fine, poiché ha questo set aggiuntivo di neutroni, ci porta a informazioni che ci aiutano a chiarire ulteriormente la fisica delle stelle di neutroni, dove ci sono molti più neutroni rispetto ai protoni.

"E ci dà l'opportunità di prevedere dove si trovano i neutroni nel Ca-48, "Disse Dickhoff. "Questa è l'informazione critica, che porta alla previsione della pelle di neutroni."

Per carità, Dickhoff e i coautori Hossein Mahzoon, Dottorato '15, un docente di fisica alla Truman State University di Kirksville, Mo., e Mack Atkinson, un dottorando in fisica alla Washington University, la caccia continua.

Guardano con interesse mentre Ca-48 è programmato per essere sottoposto al test di spessore della pelle più pulito disponibile tramite l'acceleratore di elettroni presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility a Newport News, Va.

Inoltre, procedono a risalire la catena di elementi dei nuclei ricchi di neutroni fino a quello che Charity chiamò il "famoso nucleo" di Piombo-208. Michael Keim, un anziano in fisica, sta conducendo uno studio sul piombo-208.

"Ci darà un modo sperimentale per capire se la nostra analisi è davvero predittiva, " Dickhoff ha detto. "Pensiamo di avere un buon argomento perché pensiamo che abbia una pelle spessa. C'è un grande gruppo di persone ... che prevedono una pelle più piccola. Questo è direttamente rilevante per la comprensione della dimensione delle stelle di neutroni. Non è ancora chiaro quanto sia grande una stella di neutroni, il suo raggio".

Anche il modo in cui hanno effettuato la loro analisi e raggiunto questo quadro predittivo fa parte della loro ricerca decennale. Il loro gruppo di chimica-fisica aderisce a "relazioni di dispersione, "che Sobotka, che è professore di chimica e di fisica, spiegato semplicemente:"È ciò che ti dice di non ridere prima di essere solleticato. Ciò significa che la causalità è adeguatamente presa in considerazione".

In breve, analizzano tutte le energie contemporaneamente piuttosto che concentrarsi su una singola energia.

Dalla prima pubblicazione insieme nel 2006, hanno utilizzato il modello ottico dispersivo (DOM) sviluppato un quarto di secolo fa da Claude Mahauxa, un teorico nucleare dal Belgio. Si sono espansi su di esso, attraverso domini energetici e isotopi, in modo da poter tentare di prevedere dove si trovano le particelle nucleari.

"Abbiamo dovuto fare il passo tecnico per includere la sensibilità delle particelle, " disse Dickhoff. Con le mani illustrava il centro e poi il resto di un nucleo:"Se sono qui, erano anche influenzati da qualsiasi altro luogo. Che chiamiamo "non località". Senza quello, non puoi fare queste previsioni."

Gli elementi ricchi di neutroni pesanti si comportano diversamente. Quindi questa squadra continua a salire nelle classi dei pesi massimi:Ca-40, Ca-48, Piombo-208. "Quanto lontano puoi andare lungo una catena di isotopi fino a perdere i neutroni?" Carità ha detto. Dà loro la pelle nel gioco della pelle.

"Quando ci metti dei neutroni extra, non gli piace, giusto?" Charity ha detto del nucleo atomico. "Deve capire come ospitare questi neutroni extra. Può metterli uniformemente in tutto il nucleo. Oppure potrebbe metterli in superficie. Quindi la domanda è:questa forza è più forte nella regione a bassa densità del nucleo o più debole?"

"Sappiamo dove sono i protoni, " Dickhoff ha aggiunto. "Questo è ben stabilito sperimentalmente. Ma non puoi farlo facilmente con i neutroni. Voglio semplicemente sapere cos'è un nucleone, un protone o un neutrone, sta facendo. Come trascorre il suo tempo? I nucleoni sono più interattivi:fanno altre cose che sedersi tranquillamente nelle loro orbite. Questo è ciò che questo metodo può dirci".

Il loro framework DOM non locale, in più di un decennio, utilizza la modellazione e i calcoli al computer, nonché la sperimentazione di laboratorio. Consente loro di "fare una previsione ben fondata e presa sul serio, "Disse Dickhoff. "Poi, avremo una misurazione per il piombo-208."