Novos cálculos permitiram o estudo de cerca de 700 isótopos entre o hélio e o ferro, mostrando quais núcleos podem existir e quais não podem. Em um artigo publicado em Cartas de revisão física , cientistas da TU Darmstadt, a Universidade de Washington, o laboratório canadense TRIUMF, e a Universidade de Mainz relatam como simularam pela primeira vez, usando métodos teóricos inovadores, uma grande região do gráfico de nuclídeos com base na teoria da interação forte.

Os núcleos atômicos são mantidos juntos pela forte interação entre nêutrons e prótons. Cerca de dez por cento de todos os núcleos conhecidos são estáveis. A partir desses isótopos estáveis, os núcleos se tornam cada vez mais instáveis ​​conforme os nêutrons são adicionados ou removidos, até que os nêutrons não possam mais se ligar ao núcleo e "pingar". Este limite de existência, a chamada linha de gotejamento de nêutrons, 'foi descoberto até agora experimentalmente apenas para elementos de luz até neon. Compreender a linha de gotejadores de nêutrons e a estrutura de núcleos ricos em nêutrons também desempenha um papel fundamental no programa de pesquisa para a futura instalação de aceleradores FAIR no Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados ​​em Darmstadt.

Em um novo estudo, "Limites Ab Initio de Núcleos, "publicado no jornal Cartas de revisão física como uma sugestão dos editores com uma sinopse de acompanhamento na APS Physics, Professor Achim Schwenk da TU Darmstadt e Max Planck Fellow no MPI for Nuclear Physics em Heidelberg, junto com cientistas da Universidade de Washington, TRIUMF e a Universidade de Mainz, conseguiu calcular os limites de núcleos atômicos por meio de métodos teóricos inovadores até núcleos de massa média. Os resultados são um tesouro de informações sobre possíveis novos isótopos e fornecem um roteiro para os físicos nucleares verificá-los.

O novo estudo não é a primeira tentativa de explorar teoricamente a região extremamente rica em nêutrons da paisagem nuclear. Estudos anteriores usaram a teoria do funcional da densidade para prever os isótopos ligados entre o hélio e os elementos pesados. Professor Schwenk e colegas, por outro lado, explorou o gráfico de nuclídeos pela primeira vez com base na teoria nuclear ab initio. A partir de interações microscópicas de dois e três corpos, eles resolveram a equação de Schrödinger de muitas partículas para simular as propriedades dos núcleos atômicos do hélio ao ferro. Eles conseguiram isso usando um novo método ab initio de muitos corpos - o Grupo de Renormalização de Semelhança no Meio - combinado com uma extensão que pode lidar com orbitais parcialmente preenchidos para determinar com segurança todos os núcleos.

A partir de interações de dois e três núcleos com base na interação forte, cromodinâmica quântica, os pesquisadores calcularam as energias do estado fundamental de quase 700 isótopos. Os resultados são consistentes com as medições anteriores e servem como base para determinar a localização das linhas gotejadoras de nêutrons e prótons. Comparações com medidas experimentais de massa e uma análise estatística permitiram a determinação de incertezas teóricas para suas previsões, como para as energias de separação dos núcleos e, portanto, também para a probabilidade de que um isótopo esteja ligado ou não exista (veja a figura).

O novo estudo é considerado um marco na compreensão de como o gráfico de nuclídeos e a estrutura dos núcleos emerge da interação forte. Esta é uma questão-chave do Centro de Pesquisa Colaborativa 1245 financiado pela DFG "Núcleos:Das Interações Fundamentais à Estrutura e Estrelas" na TU Darmstadt, dentro do qual esta pesquisa foi conduzida. Próximo, os cientistas querem estender seus cálculos para elementos mais pesados, a fim de avançar a entrada para a simulação da síntese de elementos pesados. Isso ocorre em ambientes ricos em nêutrons na direção da linha de gotejadores de nêutrons e ocorre na natureza quando estrelas de nêutrons se fundem ou em supernovas extremas.