Este problema ha sido resuelto ahora por un equipo internacional de investigadores de Alemania, Turquía, Estados Unidos, China, Corea del Sur y Francia utilizando el nuevo método de coincidencia de funciones de onda. Como ejemplo, las masas y los radios de todos los núcleos hasta el número de masa 50 se calcularon utilizando este método. Los resultados concuerdan con las mediciones, informan ahora los investigadores en la revista Nature. .

Toda la materia de la Tierra está formada por pequeñas partículas conocidas como átomos. Cada átomo contiene partículas aún más pequeñas:protones, neutrones y electrones. Cada una de estas partículas sigue las reglas de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica forma la base de la teoría cuántica de muchos cuerpos, que describe sistemas con muchas partículas, como los núcleos atómicos.

Una clase de métodos utilizados por los físicos nucleares para estudiar los núcleos atómicos es el enfoque ab initio. Describe sistemas complejos partiendo de una descripción de sus componentes elementales y sus interacciones. En el caso de la física nuclear, los componentes elementales son los protones y los neutrones. Algunas preguntas clave que los cálculos ab initio pueden ayudar a responder son las energías de enlace y las propiedades de los núcleos atómicos y el vínculo entre la estructura nuclear y las interacciones subyacentes entre protones y neutrones.

Sin embargo, estos métodos ab initio tienen dificultades para realizar cálculos confiables para sistemas con interacciones complejas. Uno de estos métodos son las simulaciones cuánticas de Monte Carlo. Aquí, las cantidades se calculan mediante procesos aleatorios o estocásticos.

Aunque las simulaciones cuánticas de Monte Carlo pueden ser eficientes y poderosas, tienen una debilidad importante:el problema de los signos. Surge en procesos con pesos positivos y negativos, que se cancelan entre sí. Esta cancelación conduce a predicciones finales inexactas.

Un nuevo enfoque, conocido como coincidencia de función de onda, pretende ayudar a resolver este tipo de problemas de cálculo para métodos ab initio.

"Este problema se resuelve mediante el nuevo método de coincidencia de funciones de onda, mapeando el complicado problema en una primera aproximación a un sistema modelo simple que no tiene tales oscilaciones de signos y luego tratando las diferencias en la teoría de la perturbación", dice el profesor Ulf-G. Meißner del Instituto Helmholtz de Radiación y Física Nuclear de la Universidad de Bonn y del Instituto de Física Nuclear y del Centro de Simulación y Análisis Avanzados del Forschungszentrum Jülich.

"A modo de ejemplo se calcularon las masas y radios de todos los núcleos hasta el número de masa 50, y los resultados coinciden con las mediciones", informa Meißner, que también es miembro de las áreas de investigación transdisciplinarias "Modelado" y "Materia" de la la Universidad de Bonn.

"En la teoría cuántica de muchos cuerpos, a menudo nos enfrentamos a la situación de que podemos realizar cálculos utilizando una interacción aproximada simple, pero las interacciones realistas de alta fidelidad causan graves problemas computacionales", dice Dean Lee, profesor de Física del Fondo para Raros Istope Beams y Departamento de Física y Astronomía (FRIB) de la Universidad Estatal de Michigan y jefe del Departamento de Ciencias Nucleares Teóricas.

La adaptación de función de onda resuelve este problema eliminando la parte de corta distancia de la interacción de alta fidelidad y reemplazándola con la parte de corta distancia de una interacción fácilmente calculable. Esta transformación se realiza de una manera que preserva todas las propiedades importantes de la interacción realista original.

Dado que las nuevas funciones de onda son similares a las de la interacción fácilmente computable, los investigadores ahora pueden realizar cálculos con la interacción fácilmente computable y aplicar un procedimiento estándar para manejar pequeñas correcciones, llamado teoría de la perturbación.

El equipo de investigación aplicó este nuevo método a simulaciones de Monte Carlo cuánticas reticulares para núcleos ligeros, núcleos de masa media, materia de neutrones y materia nuclear. Utilizando cálculos ab initio precisos, los resultados coincidieron estrechamente con los datos del mundo real sobre propiedades nucleares como el tamaño, la estructura y la energía de enlace. Los cálculos que antes eran imposibles debido al problema de signos ahora se pueden realizar con la coincidencia de funciones de onda.

Si bien el equipo de investigación se centró exclusivamente en simulaciones cuánticas de Monte Carlo, la coincidencia de funciones de onda debería ser útil para muchos enfoques ab initio diferentes. "Este método se puede utilizar, por ejemplo, tanto en la computación clásica como en la computación cuántica para predecir mejor las propiedades de los llamados materiales topológicos, que son importantes para la computación cuántica", afirma Meißner.

El primer autor es el Prof. Dr. Serdar Elhatisari, que trabajó durante dos años como miembro de la ERC Advanced Grant EXOTIC del Prof. Meißner. Según Meißner, durante este tiempo se realizaron gran parte de los trabajos. Parte del tiempo de computación en los superordenadores del Forschungszentrum Jülich lo proporcionaba el instituto IAS-4, dirigido por Meißner.