In un nucleo atomico, protoni e neutroni, chiamati collettivamente nucleoni, sono legati tra loro da forze nucleari. Queste forze descrivono le interazioni tra nucleoni, che li fanno occupare stati raggruppati in gusci, dove ogni guscio ha un'energia diversa e può ospitare un certo numero di nucleoni. Si dice che un nucleo sia magico quando il neutrone o i protoni riempiono esattamente i loro rispettivi gusci fino al bordo. Tali nuclei magici sono particolarmente ben legati e hanno proprietà che li fanno risaltare. Infatti, la variazione delle proprietà dei nuclei con numero di nucleoni ha portato alla formulazione del celebre modello di guscio nucleare circa 70 anni fa, con i suoi magici numeri 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126, che ha avuto un successo spettacolare nel descrivere molte delle proprietà dei nuclei stabili che compongono il mondo che ci circonda.

Con l'avvento degli acceleratori di particelle, nuclei di breve durata, i cosiddetti isotopi rari, che hanno, Per esempio, molti più neutroni che protoni, possono essere prodotti e sottoposti a sperimentazione. Gli studi su tali nuclei esotici hanno rivelato che i numeri magici non sono così immutabili come ci si potrebbe aspettare dai cugini stabili del raro isotopo con meno neutroni. Sono stati trovati nuovi numeri magici e quelli conosciuti da nuclei stabili possono essere assenti per alcuni nuclei di breve durata. Questo è indicato come evoluzione della shell.

Sulla terra, tali nuclei esotici di breve durata esistono solo per un fugace momento prodotto negli impianti di accelerazione. Nell'universo, però, si formano costantemente nelle stelle, per esempio., nelle esplosioni sulla superficie delle stelle di neutroni, nelle supernove, o nelle violente collisioni di stelle di neutroni. Infatti, le reazioni ei decadimenti dei rari isotopi determinano le abbondanze elementari osservate nell'Universo. Se vogliamo mai capire come è nata la materia visibile intorno a noi, dobbiamo comprendere ed essere in grado di modellare le proprietà dei nuclei esotici.

La professoressa della Michigan State University Alexandra Gade ha collaborato con colleghi dal Giappone e dalla Francia su un ampio articolo di revisione nel prestigioso Rassegna di Fisica Moderna rivista sulle forze alla base dell'evoluzione dei gusci osservati di nuclei esotici. L'articolo esamina lo stato del campo e collega le osservazioni sperimentali ai progressi teorici nella descrizione degli isotopi rari.

Nel futuro, sono attesi progressi sul fronte sperimentale e teorico attraverso nuovi potenti laboratori, come la Facility for Rare Isotope Beams presso MSU, e calcolo ad alte prestazioni, Per esempio. L'impatto della comprensione dell'evoluzione del guscio va oltre l'astrofisica nucleare e si estende ad applicazioni come reattori nucleari, sicurezza nucleare, o medicina nucleare.

La ricerca di Gade è ora supportata da una sovvenzione del Department of Energy Office of Science degli Stati Uniti.