Os átomos em um gás podem parecer festeiros em uma rave nanoscópica, com partículas voando ao redor, emparelhando, e voar novamente de uma forma aparentemente aleatória. E ainda os físicos criaram fórmulas que prevêem esse comportamento, mesmo quando os átomos estão extremamente próximos e podem puxar e puxar uns aos outros de maneiras complicadas.

O ambiente dentro do núcleo de um único átomo parece semelhante, com prótons e nêutrons também dançando. Mas porque o núcleo é um espaço tão compacto, os cientistas têm se esforçado para determinar o comportamento dessas partículas, conhecidos como núcleons, no núcleo de um átomo. Os modelos que descrevem as interações de núcleos distantes se rompem quando as partículas se emparelham e interagem de perto.

Agora, uma equipe liderada pelo MIT simulou o comportamento de prótons e nêutrons em vários tipos de núcleos atômicos, usando alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo. A equipe explorou uma ampla gama de modelos de interação nuclear e descobriu, surpreendentemente, que as fórmulas que descrevem como os átomos se comportam em um gás podem ser generalizadas para prever como prótons e nêutrons interagem a curta distância no núcleo.

Quando os núcleos estão a menos de 1 femtômetro - 1 quatrilionésimo de metro - separados, os pesquisadores encontraram outra surpresa:as partículas se emparelham da mesma maneira, independentemente de habitarem um núcleo pequeno como o hélio ou um núcleo mais aglomerado como o cálcio.

"Esses pares de curto alcance realmente não se importam com seu ambiente - se eles estão em uma grande festa ou uma festa de cinco, não importa - eles formarão pares da mesma maneira universal, "diz Reynier Cruz-Torres, que co-liderou o trabalho como estudante de graduação em física no MIT.

Este comportamento de curto alcance é provavelmente universal para todos os tipos de núcleos atômicos, como o muito mais denso, núcleos complicados em átomos radioativos.

“As pessoas não esperavam que esse tipo de modelo capturasse núcleos, que são alguns dos objetos mais complicados da física, "diz Or Hen, professor assistente de física no MIT. "Apesar de uma diferença de mais de 20 ordens de magnitude na densidade entre um átomo e o núcleo, ainda podemos encontrar esse comportamento universal e aplicá-lo a muitos problemas em aberto na física nuclear. "

A equipe publicou seus resultados hoje na revista Física da Natureza . Os co-autores do MIT incluem Axel Schmidt, uma afiliada de pesquisa no Laboratório de Ciência Nuclear, junto com colaboradores da Universidade Hebraica, Los Alamos and Argonne National Laboratories, e várias outras instituições.

Pares de festas

Hen busca entender as interações confusas entre prótons e nêutrons em um alcance extremamente curto, onde a atração e o puxão entre os núcleons no muito pequeno, O ambiente denso do núcleo é notoriamente difícil de definir. Por anos, ele se perguntou se um conceito da física atômica conhecido como formalismo de contato também poderia ser aplicado à física nuclear e ao funcionamento interno do núcleo.

Muito amplamente, o formalismo de contato é uma descrição matemática geral que prova que o comportamento dos átomos em uma nuvem depende de sua escala:aqueles que estão distantes um do outro seguem uma certa física, enquanto átomos muito próximos seguem um conjunto inteiramente separado de física. Cada grupo de átomos realiza suas interações alheio ao comportamento do outro grupo. De acordo com o formalismo de contato, por exemplo, sempre haverá um certo número de pares ultraclose, independentemente de quais outros, átomos mais distantes estão fazendo na nuvem.

Hen se perguntou se o formalismo de contato também poderia descrever as interações dentro do núcleo de um átomo.

"Eu pensei que não pode ser que você veja este belo formalismo, isso foi uma revolução na física atômica, e ainda não podemos fazer funcionar para a física nuclear, "Hen diz." Era uma conexão muito forte.

"Em escalas humanas"

Os pesquisadores primeiro trabalharam com Ronen Weiss e Nir Barnea na Universidade Hebraica, que liderou o desenvolvimento de uma generalização teórica do formalismo de contato atômico, para descrever um sistema geral de partículas em interação. Eles então procuraram simular partículas em um pequeno, denso, ambiente nuclear, para ver se padrões de comportamento emergiriam entre núcleons de curto alcance, de uma forma totalmente separada daquela dos núcleons de longo alcance, conforme previsto pelo formalismo de contato generalizado.

O grupo simulou interações de partículas dentro de vários núcleos atômicos leves, variando de três núcleos em hélio, a 40 em cálcio. Para cada tipo de núcleo atômico, eles executaram um algoritmo de amostragem aleatória para gerar um filme de onde cada um dos prótons e nêutrons em um determinado núcleo poderia estar ao longo do tempo.

"Em um certo momento instantâneo, essas partículas podem ser distribuídas de uma maneira, interagindo entre si com um determinado esquema, onde este par com aquele, por exemplo, e uma terceira partícula é chutada. Então, em outro momento, eles serão distribuídos de forma diferente, "explica o co-autor principal Diego Lonardoni, um físico do Laboratório Nacional de Los Alamos e da Michigan State University. "Portanto, repetimos esses cálculos várias vezes para alcançar o equilíbrio."

Para ver qualquer tipo de equilíbrio, ou padrão, emergir, a equipe teve que simular toda a física possível entre cada partícula, gerando milhares de instantâneos para cada tipo de núcleo. Para realizar esse número de cálculos, normalmente seriam necessários milhões de horas de processamento.

"Meu laptop precisaria de mais do que a idade do universo para terminar o cálculo, "Diz Hen." Se você distribuir o cálculo entre 10, 000 processadores, você pode obter o resultado em um tempo em escalas humanas. "

Portanto, a equipe usou supercomputadores em Los Alamos e no Argonne National Laboratory - alguns dos computadores mais poderosos do mundo - para distribuir o trabalho em paralelo.

Depois de executar as simulações, eles traçaram uma distribuição de núcleons para cada tipo de núcleo que simularam. Por exemplo, para um núcleo de oxigênio, eles encontraram uma certa porcentagem de núcleons dentro de 1 fermi de distância, e outra porcentagem um pouco mais próxima, e assim por diante.

Surpreendentemente, eles descobriram isso, para núcleons de longo alcance, a distribuição variou amplamente de um tipo de núcleo para outro. Mas para núcleons de curto alcance que estavam separados por menos de 1 femtômetro, as distribuições entre os tipos atômicos pareciam exatamente as mesmas, não importa se os núcleos habitavam um núcleo ultraleve de hélio ou um núcleo de carbono mais denso. Em outras palavras, núcleons de curto alcance se comportaram independentemente de seu ambiente de larga escala, semelhante a como o comportamento atômico é descrito por meio do formalismo de contato.

"Nossa descoberta oferece uma maneira nova e simples de identificar a parte de curta distância da distribuição nuclear que, junto com a teoria existente, permite essencialmente obter a distribuição completa, "Diz Hen." Com isso, podemos testar a natureza do neutrino e calcular as taxas de resfriamento das estrelas de nêutrons, entre outras questões em aberto. "