Para muchos de nosotros el término "doblemente mágico" puede evocar imágenes de Penn &Teller. Sin embargo, para los físicos nucleares, describe núcleos atómicos que tienen mayor estabilidad que sus vecinos gracias a que tienen capas que están completamente ocupadas tanto por protones como por neutrones. Los físicos teóricos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron recientemente Titan, La supercomputadora más poderosa de Estados Unidos, para calcular la estructura nuclear del níquel-78, que consta de 28 protones y 50 neutrones, y descubrió que este núcleo rico en neutrones es, de hecho, doblemente mágico. Los resultados, publicado en la revista Cartas de revisión física , puede mejorar la comprensión del origen, organización e interacciones de materia estable.

"Utilizando los cálculos del primer principio realizados en Titán, confirmamos que un núcleo muy exótico del que poco se sabe, níquel-78, es doblemente mágico, "dijo el físico teórico Gaute Hagen, quien realizó el estudio con Gustav Jansen y Thomas Papenbrock. La Oficina de Ciencias del DOE apoyó la investigación.

Se cree que el término "doblemente mágico" fue acuñado por Eugene Wigner, ex director de investigación y desarrollo de la instalación de la era del Proyecto Manhattan que se convirtió en ORNL. En números mágicos, que incluyen 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126, los protones o los neutrones llenan capas completas del núcleo de un átomo. Las capas de los protones y las capas de los neutrones son independientes entre sí. Si el número de protones y el número de neutrones son mágicos, se dice que el núcleo es "doblemente mágico".

"La energía vinculante, o energía necesaria para eliminar un protón o un neutrón, es más grande para núcleos doblemente mágicos en comparación con sus vecinos, Hagen explicó. El gráfico nuclear muestra que varios isótopos doblemente mágicos —elementos atómicos que se comportan químicamente de manera idéntica pero difieren físicamente en el número de neutrones— existen cerca del "valle de la estabilidad". "la región que comprende todos los núcleos estables y de larga vida. Ejemplos son helio-4, oxígeno-16, calcio-40, calcio-48 y plomo-208.

Lejos de este valle hay una frontera, llamada "línea de goteo de neutrones, "en el que no se pueden agregar más neutrones sin perder la unión nuclear". Si agrega otro neutrón al núcleo, el núcleo simplemente se desmorona, o el neutrón 'gotea' fuera del núcleo, ", Dijo Hagen." Define los límites de la carta nuclear, que incluye todos los núcleos que existen y están unidos por la fuerza fuerte ".

El trabajo del equipo ORNL aborda preguntas como:¿Cuántos neutrones se pueden agregar a un núcleo antes de que se desmorone? ¿Cuántos núcleos estables existen? ¿Cómo capturan neutrones los núcleos atómicos más ligeros para crear elementos más pesados ​​en las estrellas?

"Con este núcleo pesado, tenemos 78 protones y neutrones que interactúan fuertemente como grados fundamentales de libertad, e interacciones entre ellos que tratamos de describir, "Explicó Hagen." Resolver numéricamente este problema mecánico cuántico de muchos cuerpos es tremendamente costoso. No puedes resolverlo en una hoja de papel. Necesitas una supercomputadora ".

Para dilucidar los fundamentos de la magia del níquel-78, los miembros del equipo recurrieron al sistema informático Titan Cray XK7 en Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Ejecutaron el código de estructura nuclear NUCCOR (Clúster acoplado nuclear en Oak Ridge) durante aproximadamente 5 millones de horas de unidad central de procesamiento, asignados a través del programa Impacto novedoso e innovador en la teoría y el experimento, o INCITE. A través del Centro de Preparación Acelerada de Aplicaciones de OLCF, Hagen lidera el trabajo para mejorar los algoritmos utilizados en NUCCOR para calcular núcleos más grandes de manera más eficiente en supercomputadoras cada vez más potentes.

"Este es el primer cálculo realista de la estructura del níquel-78 y sus vecinos desde los primeros principios, "dijo Hagen. Un núcleo tiene muchas configuraciones de energía. En sus simulaciones, los físicos de ORNL calcularon el primer estado excitado en níquel-78 y un vecino, níquel-80. Los experimentadores de RIKEN en Japón han medido recientemente este estado, y será interesante comparar la predicción teórica ORNL con esos datos. El cálculo de ORNL predice este estado en el níquel-78 a partir de una correlación con el estado similar conocido con precisión en el calcio-48. Reveló "una firma de magia" para el níquel-78, Dijo Hagen.

"Nuestra predicción dice que puedes agregar uno o dos neutrones al níquel-78, y el núcleo todavía estará unido. Predecimos que la línea de goteo se extiende más allá del níquel-80, ", Dijo Hagen." Este también fue un hallazgo importante ".

Próximo, los científicos explorarán núcleos estables más pesados, como Tin-100 y sus vecinos. Debido a que el estaño-100 está ubicado justo en la línea de goteo de protones, la adición de otro protón hace que el núcleo se deshaga. "Todas estas son características interesantes del núcleo que podemos calcular, "Dijo Hagen.

El título de la Cartas de revisión física el artículo es "Estructura de 78Ni a partir de cálculos de los primeros principios".