Gli atomi in un gas possono sembrare festaioli a un rave nanoscopico, con particelle che sfrecciano intorno, accoppiamento, e volare di nuovo in modo apparentemente casuale. Eppure i fisici hanno escogitato formule che prevedono questo comportamento, anche quando gli atomi sono estremamente vicini tra loro e possono tirarsi e tirarsi l'un l'altro in modi complicati.

L'ambiente all'interno del nucleo di un singolo atomo sembra simile, con protoni e neutroni che danzano anche loro. Ma poiché il nucleo è uno spazio così compatto, gli scienziati hanno lottato per definire il comportamento di queste particelle, noti come nucleoni, nel nucleo di un atomo. I modelli che descrivono le interazioni di nucleoni distanti tra loro si rompono quando le particelle si accoppiano e interagiscono a distanza ravvicinata.

Ora un team guidato dal MIT ha simulato il comportamento di protoni e neutroni in diversi tipi di nuclei atomici, utilizzando alcuni dei supercomputer più potenti al mondo. Il team ha esplorato un'ampia gamma di modelli di interazione nucleare e ha scoperto, sorprendentemente, che le formule che descrivono come si comportano gli atomi in un gas possono essere generalizzate per prevedere come i protoni ei neutroni interagiscono a distanza ravvicinata nel nucleo.

Quando i nucleoni sono a meno di 1 femtometro, 1 quadrilionesimo di metro, l'uno dall'altro, i ricercatori hanno trovato un'altra sorpresa:le particelle si accoppiano allo stesso modo, indipendentemente dal fatto che abitino un nucleo piccolo come l'elio o uno più affollato come il calcio.

"Queste coppie a corto raggio non si preoccupano molto del loro ambiente, che siano in una grande festa o in una festa di cinque persone, non importa, si accoppieranno nello stesso modo universale, "dice Reynier Cruz-Torres, che ha co-diretto il lavoro come studente laureato in fisica al MIT.

Questo comportamento a corto raggio è probabilmente universale per tutti i tipi di nuclei atomici, come il molto più denso, nuclei complicati negli atomi radioattivi.

"La gente non si aspettava che questo tipo di modello catturasse i nuclei, che sono alcuni degli oggetti più complicati della fisica, " dice o gallina, assistente professore di fisica al MIT. "Nonostante una differenza di densità di oltre 20 ordini di grandezza tra un atomo e un nucleo, possiamo ancora trovare questo comportamento universale e applicarlo a molti problemi aperti nella fisica nucleare".

Il team ha pubblicato oggi i risultati sulla rivista Fisica della natura . I coautori del MIT includono Axel Schmidt, un affiliato di ricerca nel Laboratorio di Scienze Nucleari, insieme a collaboratori dell'Università Ebraica, Laboratori Nazionali di Los Alamos e Argonne, e varie altre istituzioni.

Coppie di festa

Hen cerca di capire le interazioni disordinate tra protoni e neutroni a distanze estremamente brevi, dove l'attrazione e lo strattone tra i nucleoni nel piccolissimo, ambiente denso del nucleo è stato notoriamente difficile da definire. Per anni, si è chiesto se un concetto in fisica atomica noto come formalismo di contatto possa applicarsi anche alla fisica nucleare e al funzionamento interno del nucleo.

In modo molto ampio, Il formalismo di contatto è una descrizione matematica generale che dimostra che il comportamento degli atomi in una nuvola dipende dalla loro scala:quelli che sono lontani l'uno dall'altro seguono una certa fisica, mentre gli atomi molto vicini tra loro seguono un insieme di fisica completamente separato. Ogni gruppo di atomi svolge le proprie interazioni ignaro del comportamento dell'altro gruppo. Secondo il formalismo di contatto, ad esempio, ci sarà sempre un certo numero di coppie ultraravvicinate, indipendentemente da quale altro, atomi più distanti stanno facendo nella nuvola.

Hen si chiedeva se il formalismo di contatto potesse descrivere anche le interazioni all'interno del nucleo di un atomo.

"Ho pensato che non può essere che tu veda questo bel formalismo, che è stata una rivoluzione nella fisica atomica, eppure non possiamo farlo funzionare per la fisica nucleare, " Hen dice. "Era solo una connessione troppo forte."

"A misura d'uomo"

I ricercatori hanno prima collaborato con Ronen Weiss e Nir Barnea presso la Hebrew University, che ha guidato lo sviluppo di una generalizzazione teorica del formalismo del contatto atomico, descrivere un sistema generale di particelle interagenti. Hanno quindi cercato di simulare le particelle in un piccolo, denso, ambiente nucleare, per vedere se sarebbero emersi modelli di comportamento tra nucleoni a corto raggio, in modo del tutto separato da quello dei nucleoni a lungo raggio come previsto dal formalismo di contatto generalizzato.

Il gruppo ha simulato interazioni di particelle all'interno di diversi nuclei atomici leggeri, che vanno da tre nucleoni in elio, a 40 di calcio. Per ogni tipo di nucleo atomico, hanno eseguito un algoritmo di campionamento casuale per generare un filmato di dove ciascuno dei protoni e dei neutroni in un dato nucleo potrebbe trovarsi nel tempo.

"A una certa ora, queste particelle possono essere distribuite in un modo, interagiscono tra loro con un dato schema, dove questo si accoppia con quello, ad esempio, e una terza particella viene invece presa a calci. Quindi, in un altro momento, saranno distribuiti in modo diverso, " spiega il co-autore Diego Lonardoni, un fisico presso il Los Alamos National Laboratory e la Michigan State University. "Quindi ripetiamo questi calcoli ancora e ancora per raggiungere l'equilibrio".

Per vedere un qualsiasi tipo di equilibrio, o modello, emergere, il team ha dovuto simulare tutta la fisica possibile tra ogni particella, generando migliaia di istantanee per ogni tipo di nucleo. Per eseguire questo numero di calcoli normalmente ci vorrebbero milioni di ore di tempo di elaborazione.

"Il mio laptop impiegherebbe più dell'età dell'universo per completare il calcolo, " dice Gallina. "Se distribuisci il calcolo tra 10, 000 processori, puoi ottenere il tuo risultato in un tempo a misura d'uomo."

Quindi il team ha utilizzato i supercomputer di Los Alamos e dell'Argonne National Laboratory, alcuni dei computer più potenti al mondo, per distribuire il lavoro in parallelo.

Dopo aver eseguito le simulazioni, hanno tracciato una distribuzione di nucleoni per ogni tipo di nucleo che hanno simulato. Ad esempio, per un nucleo di ossigeno, hanno trovato una certa percentuale di nucleoni entro 1 fermi di distanza, e un'altra percentuale leggermente più vicina, e così via.

Sorprendentemente, hanno scoperto che, per nucleoni a lungo raggio, la distribuzione variava ampiamente da un tipo di nucleo all'altro. Ma per i nucleoni a corto raggio distanti meno di 1 femtometro, le distribuzioni tra i tipi atomici sembravano esattamente le stesse, non importa se i nucleoni abitavano un nucleo di elio ultraleggero o un nucleo di carbonio più denso. In altre parole, nucleoni a corto raggio si sono comportati indipendentemente dal loro ambiente su larga scala, simile a come viene descritto il comportamento atomico attraverso il formalismo di contatto.

"La nostra scoperta offre un modo nuovo e semplice per definire la parte a breve distanza della distribuzione nucleare che, insieme alla teoria esistente, permette essenzialmente di ottenere la distribuzione completa, " Hen dice. "Con quello, possiamo testare la natura del neutrino e calcolare i tassi di raffreddamento delle stelle di neutroni, tra le altre questioni aperte".