Nuovi calcoli hanno permesso lo studio di quasi 700 isotopi tra elio e ferro, mostrando quali nuclei possono esistere e quali no. In un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , scienziati della TU Darmstadt, l'Università di Washington, il laboratorio canadese TRIUMF, e l'Università di Mainz riportano come hanno simulato per la prima volta utilizzando metodi teorici innovativi un'ampia regione della carta dei nuclidi basata sulla teoria dell'interazione forte.

I nuclei atomici sono tenuti insieme dalla forte interazione tra neutroni e protoni. Circa il dieci percento di tutti i nuclei conosciuti sono stabili. Partendo da questi isotopi stabili, i nuclei diventano sempre più instabili man mano che i neutroni vengono aggiunti o rimossi, fino a quando i neutroni non possono più legarsi al nucleo e "gocciolare". Questo limite di esistenza, la cosiddetta ala gocciolante di neutroni, ' è stato finora scoperto sperimentalmente solo per elementi leggeri fino al neon. Comprendere l'ala gocciolante di neutroni e la struttura dei nuclei ricchi di neutroni svolge anche un ruolo chiave nel programma di ricerca per il futuro impianto di accelerazione FAIR presso il GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research di Darmstadt.

In un nuovo studio, "Ab Initio Limiti dei nuclei, "pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica come suggerimento della redazione con una sinossi di accompagnamento in APS Physics, Professor Achim Schwenk di TU Darmstadt e Max Planck Fellow presso l'MPI per la fisica nucleare di Heidelberg, insieme a scienziati dell'Università di Washington, TRIUMF e l'Università di Mainz, riuscì a calcolare i limiti dei nuclei atomici utilizzando metodi teorici innovativi fino ai nuclei di media massa. I risultati sono un tesoro di informazioni su possibili nuovi isotopi e forniscono una tabella di marcia per i fisici nucleari per verificarli.

Il nuovo studio non è il primo tentativo di esplorare teoricamente la regione estremamente ricca di neutroni del paesaggio nucleare. Studi precedenti hanno utilizzato la teoria del funzionale della densità per prevedere gli isotopi legati tra l'elio e gli elementi pesanti. Professor Schwenk e colleghi, d'altra parte, esplorò per la prima volta la carta dei nuclidi sulla base della teoria nucleare ab initio. Partendo da interazioni microscopiche a due e tre corpi, hanno risolto l'equazione di Schrödinger a molte particelle per simulare le proprietà dei nuclei atomici dall'elio al ferro. Hanno raggiunto questo obiettivo utilizzando un nuovo metodo ab initio a molti corpi, il gruppo di rinormalizzazione della somiglianza nel mezzo, combinato con un'estensione in grado di gestire orbitali parzialmente riempiti per determinare in modo affidabile tutti i nuclei.

Partendo da interazioni a due e tre nucleoni basate sull'interazione forte, cromodinamica quantistica, i ricercatori hanno calcolato le energie dello stato fondamentale di quasi 700 isotopi. I risultati sono coerenti con le misurazioni precedenti e servono come base per determinare la posizione delle ali gocciolanti di neutroni e protoni. I confronti con misurazioni sperimentali di massa e un'analisi statistica hanno permesso di determinare le incertezze teoriche per le loro previsioni, come per le energie di separazione dei nuclei e quindi anche per la probabilità che un isotopo sia legato o non esista (vedi figura).

Il nuovo studio è considerato una pietra miliare nella comprensione di come la carta dei nuclidi e la struttura dei nuclei emergano dall'interazione forte. Questa è una domanda chiave del Centro di ricerca collaborativo finanziato da DFG 1245 "Nuclei:From Fundamental Interactions to Structure and Stars" presso la TU Darmstadt, all'interno del quale è stata condotta questa ricerca. Prossimo, gli scienziati vogliono estendere i loro calcoli ad elementi più pesanti per avanzare l'input per la simulazione della sintesi di elementi pesanti. Ciò procede in ambienti ricchi di neutroni nella direzione dell'ala gocciolante di neutroni e si verifica in natura quando le stelle di neutroni si fondono o nelle supernove estreme.