Los átomos en un gas pueden parecer fiesteros en un rave nanoscópico, con partículas dando vueltas, emparejamiento y volar de nuevo de una manera aparentemente aleatoria. Y, sin embargo, los físicos han ideado fórmulas que predicen este comportamiento, incluso cuando los átomos están muy juntos y pueden tirarse y tirarse unos de otros de formas complicadas.

El entorno dentro del núcleo de un solo átomo parece similar, con protones y neutrones también bailando. Pero debido a que el núcleo es un espacio tan compacto, Los científicos han luchado para precisar el comportamiento de estas partículas, conocidos como nucleones, en el núcleo de un átomo. Los modelos que describen las interacciones de nucleones que están muy separados se rompen cuando las partículas se emparejan e interactúan a corta distancia.

Ahora, un equipo dirigido por el MIT ha simulado el comportamiento de protones y neutrones en varios tipos de núcleos atómicos, utilizando algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo. El equipo exploró una amplia gama de modelos de interacción nuclear y encontró, asombrosamente, que las fórmulas que describen cómo se comportan los átomos en un gas pueden generalizarse para predecir cómo interactúan los protones y los neutrones a corta distancia en el núcleo.

Cuando los nucleones están separados por menos de 1 femtómetro (una cuadrillonésima parte de un metro), los investigadores encontraron otra sorpresa:las partículas se emparejan de la misma manera, independientemente de si habitan en un núcleo pequeño como el helio o en uno más poblado como el calcio.

"Estas parejas de corto alcance no se preocupan por su entorno, ya sea que estén en una gran fiesta o en una fiesta de cinco, no importa, se emparejarán de la misma manera universal, "dice Reynier Cruz-Torres, quien codirigió el trabajo como estudiante de posgrado en física en el MIT.

Este comportamiento de corto alcance probablemente sea universal para todos los tipos de núcleos atómicos, como el mucho más denso, núcleos complicados en átomos radiactivos.

"La gente no esperaba que este tipo de modelo capturara núcleos, que son algunos de los objetos más complicados de la física, "dice Or Hen, profesor asistente de física en el MIT. "A pesar de una diferencia de más de 20 órdenes de magnitud en la densidad entre un átomo y un núcleo, todavía podemos encontrar este comportamiento universal y aplicarlo a muchos problemas abiertos en física nuclear ".

El equipo ha publicado hoy sus resultados en la revista Física de la naturaleza . Los coautores del MIT incluyen a Axel Schmidt, una investigación afiliada en el Laboratorio de Ciencias Nucleares, junto a colaboradores de la Universidad Hebrea, Laboratorios Nacionales de Los Alamos y Argonne, y varias otras instituciones.

Parejas de fiesta

Hen busca comprender las confusas interacciones entre protones y neutrones en un rango extremadamente corto, donde el tirón y tirón entre los nucleones en los muy pequeños, El entorno denso del núcleo ha sido notoriamente difícil de precisar. Durante años, se ha preguntado si un concepto de la física atómica conocido como formalismo de contacto podría aplicarse también a la física nuclear y al funcionamiento interno del núcleo.

Muy en general, El formalismo de contacto es una descripción matemática general que demuestra que el comportamiento de los átomos en una nube depende de su escala:los que están lejos unos de otros siguen una física determinada, mientras que los átomos muy juntos siguen un conjunto de física completamente separado. Cada grupo de átomos realiza sus interacciones ajenas al comportamiento del otro grupo. Según el formalismo de contacto, por ejemplo, siempre habrá un cierto número de pares ultracerrados, independientemente de que otro, los átomos más distantes están haciendo en la nube.

Hen se preguntó si el formalismo de contacto también podría describir las interacciones dentro del núcleo de un átomo.

"Pensé que no puede ser que veas este hermoso formalismo, que ha sido una revolución en la física atómica, y, sin embargo, no podemos hacer que funcione para la física nuclear, "Dice Hen." Simplemente era demasiada conexión ".

"A escala humana"

Los investigadores se asociaron por primera vez con Ronen Weiss y Nir Barnea en la Universidad Hebrea, quien dirigió el desarrollo de una generalización teórica del formalismo de contacto atómico, para describir un sistema general de partículas que interactúan. Luego buscaron simular partículas en una pequeña, denso, entorno nuclear, para ver si surgirían patrones de comportamiento entre los nucleones de corto alcance, de una manera completamente separada de la de los nucleones de largo alcance como predice el formalismo de contacto generalizado.

El grupo simuló interacciones de partículas dentro de varios núcleos atómicos ligeros, que van desde tres nucleones en helio, a 40 en calcio. Para cada tipo de núcleo atómico, ejecutaron un algoritmo de muestreo aleatorio para generar una película de dónde podría estar cada uno de los protones y neutrones en un núcleo dado a lo largo del tiempo.

"En un momento determinado, estas partículas se pueden distribuir de una manera, interactuando entre ellos con un esquema dado, donde este se empareja con aquél, por ejemplo, y una tercera partícula es pateada en su lugar. Luego, en otro momento, se distribuirán de forma diferente, "explica el coautor principal Diego Lonardoni, físico del Laboratorio Nacional de Los Alamos y de la Universidad Estatal de Michigan. "Así que repetimos estos cálculos una y otra vez para alcanzar el equilibrio".

Para ver cualquier tipo de equilibrio, o patrón, surgir, el equipo tuvo que simular toda la física posible entre todas y cada una de las partículas, generando miles de instantáneas para cada tipo de núcleo. Para llevar a cabo este número de cálculos, normalmente se necesitarían millones de horas de tiempo de procesamiento.

"Mi computadora portátil necesitaría más que la edad del universo para completar el cálculo, "Hen dice". Si distribuye el cálculo entre 10, 000 procesadores, puede obtener su resultado en un tiempo a escala humana ".

De modo que el equipo utilizó supercomputadoras en Los Alamos y en el Laboratorio Nacional Argonne, algunas de las computadoras más poderosas del mundo, para distribuir el trabajo en paralelo.

Después de ejecutar las simulaciones, trazaron una distribución de nucleones para cada tipo de núcleo que simularon. Por ejemplo, para un núcleo de oxígeno, encontraron un cierto porcentaje de nucleones dentro de 1 fermi de diferencia, y otro porcentaje que estuvo un poco más cerca, etcétera.

Asombrosamente, ellos encontraron que, para nucleones de largo alcance, la distribución varió ampliamente de un tipo de núcleo a otro. Pero para los nucleones de corto alcance que estaban separados por menos de 1 femtómetro, las distribuciones entre los tipos atómicos se veían exactamente iguales, no importa si los nucleones habitaban un núcleo de helio ultraligero o un núcleo de carbono más denso. En otras palabras, Los nucleones de corto alcance se comportaron independientemente de su entorno a mayor escala, similar a cómo se describe el comportamiento atómico a través del formalismo de contacto.

"Nuestro hallazgo ofrece una forma nueva y sencilla de precisar la parte de corta distancia de la distribución nuclear que, junto con la teoría existente, permite esencialmente obtener la distribución completa, "Hen dice." Con eso, podemos probar la naturaleza del neutrino y calcular las tasas de enfriamiento de las estrellas de neutrones, entre otras preguntas abiertas ".