Para muitos de nós, o termo "duplamente mágico" pode evocar imagens de Penn &Teller. Contudo, para físicos nucleares, ele descreve núcleos atômicos que têm maior estabilidade do que seus vizinhos, graças ao fato de possuírem camadas totalmente ocupadas por prótons e nêutrons. Físicos teóricos do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia usaram recentemente o Titan, O supercomputador mais poderoso da América, para calcular a estrutura nuclear do níquel-78, consistindo em 28 prótons e 50 nêutrons, e descobri que esse núcleo rico em nêutrons é de fato duplamente mágico. Os resultados, publicado no jornal Cartas de revisão física , pode melhorar a compreensão da origem, organização e interações de matéria estável.

"Usando cálculos de primeiro princípio executados no Titan, confirmamos que um núcleo muito exótico sobre o qual pouco se sabe, níquel-78, é duplamente mágico, "disse o físico teórico Gaute Hagen, que realizou o estudo com Gustav Jansen e Thomas Papenbrock. O DOE Office of Science apoiou a pesquisa.

Acredita-se que o termo "duplamente mágico" tenha sido cunhado por Eugene Wigner, ex-diretor de pesquisa e desenvolvimento das instalações da era do Projeto Manhattan que se tornou ORNL. Em números mágicos, que incluem 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126, ou os prótons ou os nêutrons preenchem as camadas completas do núcleo do átomo. As camadas de prótons e as camadas de nêutrons são independentes umas das outras. Se o número de prótons e o número de nêutrons são mágicos, o núcleo é considerado "duplamente mágico".

"A energia de ligação, ou a energia necessária para remover um próton ou um nêutron, é maior para núcleos duplamente mágicos em comparação com seus vizinhos, "Hagen explicou. O gráfico nuclear mostra que vários isótopos duplamente mágicos - elementos atômicos que se comportam quimicamente de forma idêntica, mas fisicamente diferem em número de nêutrons - existem perto do" vale da estabilidade, "a região que compreende todos os núcleos estáveis ​​e de vida longa. Exemplos são o hélio-4, oxigênio-16, cálcio-40, cálcio-48 e chumbo-208.

Longe deste vale há uma fronteira, chamada de "linha de gotejamento de nêutrons, "no qual não mais nêutrons podem ser adicionados sem perda de ligação nuclear." Se você adicionar outro nêutron ao núcleo, o núcleo simplesmente se desfaz, ou o nêutron "pinga" do núcleo, "Hagen disse." Isso define as fronteiras do mapa nuclear, que inclui todos os núcleos que existem e são limitados pela força forte. "

O trabalho da equipe ORNL aborda questões como:Quantos nêutrons podem ser adicionados a um núcleo antes que ele se desintegre? Quantos núcleos estáveis ​​existem? Como os núcleos atômicos mais leves capturam nêutrons para criar elementos mais pesados ​​nas estrelas?

"Com este núcleo pesado, temos 78 prótons e nêutrons interagindo fortemente como os graus fundamentais de liberdade, e as interações entre eles que tentamos descrever, "Hagen explicou." Resolver numericamente esse problema de mecânica quântica de muitos corpos é tremendamente caro. Você não pode resolver isso em um pedaço de papel. Você precisa de um supercomputador. "

Para elucidar os fundamentos da magia do níquel-78, os membros da equipe recorreram ao sistema de computação Titan Cray XK7 no Oak Ridge Leadership Computing Facility, um DOE Office of Science User Facility em ORNL. Eles executaram o código de estrutura nuclear NUCCOR (Nuclear Coupled Cluster em Oak Ridge) por aproximadamente 5 milhões de horas de unidade central de processamento, alocado por meio do programa de impacto inovador e inovador na teoria e na experiência, ou INCITE. Por meio do Centro de Prontidão Acelerada de Aplicativos da OLCF, Hagen lidera o trabalho para melhorar os algoritmos usados ​​no NUCCOR para computar núcleos maiores com mais eficiência em supercomputadores cada vez mais poderosos.

"Este é o primeiro cálculo realista da estrutura do níquel-78 e seus vizinhos a partir dos primeiros princípios, "disse Hagen. Um núcleo tem muitas configurações de energia. Em suas simulações, os físicos ORNL computaram o primeiro estado excitado em níquel-78 e um vizinho, níquel-80. Experimentadores da RIKEN no Japão mediram recentemente este estado, e será interessante comparar a previsão teórica do ORNL com esses dados. O cálculo do ORNL prevê este estado no níquel-78 a partir de uma correlação com o estado semelhante precisamente conhecido no cálcio-48. Revelou "uma assinatura de magia" para o níquel-78, Hagen disse.

"Nossa previsão diz que você pode adicionar um ou dois nêutrons ao níquel-78, e o núcleo ainda estará ligado. Prevemos que a linha de gotejamento vai além do níquel-80, "Hagen disse." Esta também foi uma descoberta importante.

Próximo, os cientistas vão explorar núcleos estáveis ​​mais pesados, como o tin-100 e seus vizinhos. Como o estanho-100 está localizado bem na linha de gotejamento de prótons, adicionar outro próton faz com que o núcleo se desintegre. "Todas essas são características interessantes do núcleo que podemos computar, "Hagen disse.

O título do Cartas de revisão física o artigo é "Structure of 78Ni from First-Principles Computations".