Cálculos novedosos han permitido el estudio de casi 700 isótopos entre helio y hierro, mostrando qué núcleos pueden existir y cuáles no. En un artículo publicado en Cartas de revisión física , científicos de TU Darmstadt, la Universidad de Washington, el laboratorio canadiense TRIUMF, y la Universidad de Mainz informan cómo simularon por primera vez utilizando métodos teóricos innovadores una gran región de la tabla de nucleidos basados ​​en la teoría de la interacción fuerte.

Los núcleos atómicos se mantienen unidos por la fuerte interacción entre neutrones y protones. Aproximadamente el diez por ciento de todos los núcleos conocidos son estables. A partir de estos isótopos estables, Los núcleos se vuelven cada vez más inestables a medida que se agregan o eliminan neutrones, hasta que los neutrones ya no puedan unirse al núcleo y "gotear". Este límite de existencia, la llamada línea de goteo de neutrones, 'hasta ahora se ha descubierto experimentalmente solo para elementos ligeros hasta el neón. Comprender la línea de goteo de neutrones y la estructura de los núcleos ricos en neutrones también juega un papel clave en el programa de investigación para la futura instalación de aceleración FAIR en el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados ​​en Darmstadt.

En un nuevo estudio, "Ab Initio Limits of Nuclei, "publicado en la revista Cartas de revisión física como sugerencia de los editores con una sinopsis adjunta en APS Physics, Profesor Achim Schwenk de TU Darmstadt y miembro de Max Planck en el MPI de Física Nuclear en Heidelberg, junto con científicos de la Universidad de Washington, TRIUMF y la Universidad de Mainz, logró calcular los límites de los núcleos atómicos utilizando métodos teóricos innovadores hasta núcleos de masa media. Los resultados son un tesoro de información sobre posibles nuevos isótopos y proporcionan una hoja de ruta para que los físicos nucleares los verifiquen.

El nuevo estudio no es el primer intento de explorar teóricamente la región extremadamente rica en neutrones del paisaje nuclear. Estudios anteriores utilizaron la teoría funcional de la densidad para predecir los isótopos ligados entre el helio y los elementos pesados. Profesor Schwenk y colegas, por otra parte, exploró la tabla de nucleidos por primera vez basándose en la teoría nuclear ab initio. Partiendo de interacciones microscópicas de dos y tres cuerpos, resolvieron la ecuación de Schrödinger de muchas partículas para simular las propiedades de los núcleos atómicos desde el helio hasta el hierro. Lo lograron mediante el uso de un nuevo método ab initio de muchos cuerpos, el Grupo de renormalización de similitud en medio, combinado con una extensión que puede manejar orbitales parcialmente llenos para determinar de manera confiable todos los núcleos.

A partir de interacciones de dos y tres nucleones basadas en la interacción fuerte, cromodinámica cuántica, los investigadores calcularon las energías del estado fundamental de casi 700 isótopos. Los resultados son consistentes con mediciones anteriores y sirven como base para determinar la ubicación de las líneas de goteo de neutrones y protones. Las comparaciones con mediciones de masa experimentales y un análisis estadístico permitieron determinar las incertidumbres teóricas para sus predicciones, como para las energías de separación de los núcleos y, por lo tanto, también para la probabilidad de que un isótopo esté ligado o no exista (ver figura).

El nuevo estudio se considera un hito en la comprensión de cómo la tabla de nucleidos y la estructura de los núcleos surgen de la fuerte interacción. Esta es una pregunta clave del Centro de Investigación Colaborativa 1245 financiado por DFG "Núcleos:de las interacciones fundamentales a la estructura y las estrellas" en la TU Darmstadt, dentro del cual se llevó a cabo esta investigación. Próximo, los científicos quieren extender sus cálculos a elementos más pesados ​​con el fin de avanzar en la entrada para la simulación de la síntesis de elementos pesados. Esto ocurre en ambientes ricos en neutrones en la dirección de la línea de goteo de neutrones y ocurre en la naturaleza cuando las estrellas de neutrones se fusionan o en supernovas extremas.