Ti sei mai chiesto come il Sole crea l'energia che otteniamo da esso ogni giorno e come si sono formati gli altri elementi oltre all'idrogeno nel nostro universo? Forse sai che ciò è dovuto alle reazioni di fusione in cui quattro nuclei di idrogeno si uniscono per produrre un nucleo di elio. Tali processi di nucleosintesi sono possibili unicamente per l'esistenza, innanzitutto, di deuteroni stabili, che sono costituiti da un protone e un neutrone. Sondando più a fondo, si trova che un deuterone consiste di sei quark leggeri. interessante, la forte interazione tra quark, che porta stabilità ai deuteroni, consente anche varie altre combinazioni di sei quark, portando alla possibile formazione di molti altri nuclei simili al deuterone. Però, nessun nucleo di questo tipo, sebbene teoricamente speculato e cercato sperimentalmente molte volte, sono ancora stati osservati.

Tutto questo potrebbe cambiare con una nuova ed entusiasmante scoperta, dove, utilizzando un calcolo all'avanguardia dei primi principi della cromodinamica quantistica reticolare (QCD), la teoria di base delle interazioni forti, una previsione definitiva dell'esistenza di altri nuclei simili al deuterone è stata fatta dai fisici del TIFR. Utilizzando la struttura di calcolo della Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI), Il Prof. Nilmani Mathur e il borsista post-dottorato Parikshit Junnarkar nel Dipartimento di Fisica Teorica hanno previsto un insieme di nuclei esotici, che non si trovano nella tavola periodica. Anche le masse di questi nuovi nuclei esotici sono state calcolate con precisione.

Queste nuove particelle subatomiche potrebbero essere costituite da sei quark pesanti (charm e bottom) o da quark pesanti e strani. Sono stabili contro il decadimento forte ed elettromagnetico, ma, a differenza del deuterone, possono decadere attraverso interazioni deboli. Sorprendentemente, è stato riscontrato che la stabilità di tali nuclei aumenta man mano che diventano più pesanti. Queste previsioni possono aiutare a scoprire queste nuove particelle subatomiche nelle strutture sperimentali.

Questo apre anche la possibilità dell'esistenza di molti altri nuclei esotici, che si può formare per fusione di barioni pesanti, simile alla formazione di nuclei di elementi nella tavola periodica. In tali reazioni, questi nuclei simili al deuterone potrebbero benissimo svolgere lo stesso ruolo del deuterone nella nucleosintesi. La formazione di queste nuove particelle subatomiche aumenta anche la possibilità di un analogo a livello di quark della fusione nucleare come discusso di recente [ Natura 551, 89 (2017)]. La formazione di alcuni di questi stati per fusione è altamente esotermica, rilasciando energia fino a 300 MeV/reazione:un'eccitante possibilità per la creazione di energia un giorno in futuro!

Predire nuove particelle subatomiche, in particolare con più di tre quark, attraverso i calcoli dei principi primi richiede un'intricata fusione tra teoria e calcolo ad alte prestazioni. Non solo richiede una comprensione sofisticata dei problemi della teoria quantistica del campo, ma anche la disponibilità di risorse computazionali su larga scala è cruciale. In effetti, alcune delle più grandi risorse computazionali scientifiche del mondo vengono utilizzate dai teorici del calibro reticolare, come quelli del TIFR, che stanno cercando di risolvere il mistero delle interazioni forti del nostro Universo attraverso le loro indagini all'interno del femtomondo (cioè, in una scala di circa un milionesimo miliardesimo di metro). I metodi Lattice QCD possono anche svolgere un ruolo cruciale nella comprensione della materia in condizioni di alta temperatura e densità simili a quelle nelle prime fasi dell'Universo dopo il Big Bang.