Em um núcleo atômico, prótons e nêutrons, chamados coletivamente de núcleons, estão unidos por forças nucleares. Essas forças descrevem as interações entre os núcleons, que os fazem ocupar estados agrupados em conchas, onde cada camada tem uma energia diferente e pode hospedar um certo número de núcleons. Diz-se que um núcleo é mágico quando ocorre que o nêutron ou próton preenche exatamente suas respectivas camadas até a borda. Esses núcleos mágicos são especialmente bem ligados e têm propriedades que os destacam. Na verdade, a variação das propriedades dos núcleos com o número de núcleos levou à formulação do célebre modelo de invólucro nuclear há cerca de 70 anos, com seus números mágicos 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126, que teve um sucesso espetacular ao descrever muitas das propriedades dos núcleos estáveis ​​que constituem o mundo ao nosso redor.

Com o advento das instalações do acelerador de partículas, núcleos de vida curta - os chamados isótopos raros - que têm, por exemplo, muitos mais nêutrons do que prótons, podem ser produzidos e submetidos a experimentação. Estudos sobre esses núcleos exóticos revelaram que os números mágicos não são tão imutáveis ​​como se poderia esperar dos primos estáveis ​​do raro isótopo com menos nêutrons. Novos números mágicos foram encontrados e os conhecidos de núcleos estáveis ​​podem estar ausentes para alguns núcleos de vida curta. Isso é conhecido como evolução de shell.

Na terra, tais núcleos exóticos de vida curta existem apenas por um momento fugaz, produzidos nas instalações do acelerador. No universo, Contudo, eles são constantemente formados em estrelas, por exemplo., em explosões na superfície de estrelas de nêutrons, em supernovas, ou nas colisões violentas de estrelas de nêutrons. Na verdade, as reações e decaimentos dos raros isótopos determinam as abundâncias elementares observadas no Universo. Se quisermos entender como a matéria visível ao nosso redor surgiu, devemos entender e ser capazes de modelar as propriedades dos núcleos exóticos.

A professora Alexandra Gade da Michigan State University colaborou com colegas do Japão e da França em um extenso artigo de revisão no prestigioso Revisão da Física Moderna jornal sobre as forças por trás da evolução observada em conchas de núcleos exóticos. O artigo revisa o estado do campo e conecta observações experimentais a avanços teóricos na descrição de isótopos raros.

No futuro, avanços nas frentes experimental e teórica são esperados por meio de novos e poderosos laboratórios, como o Facility for Rare Isotope Beams em MSU, e computação de alto desempenho, por exemplo. O impacto da compreensão da evolução da casca vai além da astrofísica nuclear e se estende a aplicações como reatores nucleares, segurança nuclear, ou medicina nuclear.

A pesquisa de Gade agora é apoiada por uma bolsa do Departamento de Energia do Escritório de Ciência dos EUA.