Para muchos de nosotros, el término "doblemente mágico" puede evocar imágenes de Penn & Teller. Sin embargo, para los físicos nucleares, describe núcleos atómicos que tienen una mayor estabilidad que sus vecinos gracias a tener capas que están completamente ocupadas por ambos protones yneutrones Los físicos teóricos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron recientemente Titán, la supercomputadora más poderosa de Estados Unidos, para calcular la estructura nuclear del níquel-78, que consta de 28 protones y 50 neutrones, y descubrieron que este núcleo rico en neutrones es de hechodoblemente mágico. Los resultados, publicados en la revista Cartas de revisión física , puede mejorar la comprensión del origen, la organización y las interacciones de la materia estable.
"Utilizando cálculos del primer principio ejecutados en Titán, confirmamos que un núcleo muy exótico del que se sabe poco, el níquel-78, es doblemente mágico", dijo el físico teórico Gaute Hagen, quien realizó el estudio con Gustav Jansen y Thomas PapenbrockLa Oficina de Ciencia del DOE apoyó la investigación.
Se cree que el término "doblemente mágico" fue acuñado por Eugene Wigner, ex director de investigación y desarrollo de las instalaciones de la era del Proyecto Manhattan que se convirtió en ORNL. En números mágicos, que incluyen 2, 8, 20, 28, 50,82 y 126, ya sea que los protones o los neutrones llenen las capas completas del núcleo de un átomo. Las capas para los protones y las capas para los neutrones son independientes entre sí. Si el número de protones y el número de neutrones son mágicos, el núcleo esse dice que es "doblemente mágico"
"La energía de unión, o la energía necesaria para eliminar un protón o un neutrón, es mayor para núcleos doblemente mágicos en comparación con sus vecinos", explicó Hagen. La tabla nuclear muestra que varios isótopos doblemente mágicos, elementos atómicos que se comportan químicamentelos números de neutrones son idénticos pero físicamente diferentes: existen cerca del "valle de la estabilidad", la región que comprende todos los núcleos estables y de larga vida. Los ejemplos son helio-4, oxígeno-16, calcio-40, calcio-48 y plomo-208.
Lejos de este valle hay una frontera, llamada "línea de goteo de neutrones", en la cual no se pueden agregar más neutrones sin pérdida de unión nuclear ". Si agrega otro neutrón al núcleo, el núcleo simplemente se desmorona, o el"el neutrón" gotea "fuera del núcleo", dijo Hagen. "Define los límites de la carta nuclear, que incluye todos los núcleos que existen y están unidos por la fuerza fuerte".
El trabajo del equipo ORNL aborda preguntas como: ¿Cuántos neutrones se pueden agregar a un núcleo antes de que se desmorone? ¿Cuántos núcleos estables existen? ¿Cómo los núcleos atómicos más ligeros capturan neutrones para crear elementos más pesados en las estrellas?
"Con este núcleo pesado, tenemos 78 protones y neutrones que interactúan fuertemente como los grados fundamentales de libertad, y las interacciones entre ellos que tratamos de describir", explicó Hagen. "Resolver numéricamente este problema mecánico cuántico de muchos cuerpos es tremendamente costoso. No puede resolverlo en una hoja de papel. Necesita una supercomputadora "
Para dilucidar las bases de la magia del níquel-78, los miembros del equipo recurrieron al sistema informático Titan Cray XK7 en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge, una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL. Ejecutaron el código de estructura nuclear NUCCOR NuclearCluster acoplado en Oak Ridge por aproximadamente 5 millones de horas de unidad central de procesamiento, asignadas a través del programa Innovative and Novel Impact on Theory and Experiment, o INCITE.calcular núcleos más grandes de manera más eficiente en supercomputadoras cada vez más potentes.
"Este es el primer cálculo realista de la estructura del níquel-78 y sus vecinos a partir de los primeros principios", dijo Hagen. Un núcleo tiene muchas configuraciones de energía. En sus simulaciones, los físicos de ORNL calcularon el primer estado excitado en el níquel-78y un vecino, el níquel 80. Los experimentadores en RIKEN en Japón han medido recientemente este estado, y será interesante comparar la predicción teórica de ORNL con esos datos. El cálculo de ORNL predice este estado en níquel-78 a partir de una correlación con la precisiónestado similar conocido en el calcio 48. Reveló "una firma de magia" para el níquel 78, dijo Hagen.
"Nuestra predicción dice que puede agregar uno o dos neutrones al níquel-78, y el núcleo seguirá unido. Predecimos que la línea de goteo se extiende más allá del níquel-80", dijo Hagen. "Esto también fue un hallazgo importante."
A continuación, los científicos explorarán núcleos estables más pesados, como el estaño-100 y sus vecinos. Debido a que el estaño-100 se encuentra justo en la línea de goteo de protones, la adición de otro protón hace que el núcleo se desmorone ". Estas son características interesantesdel núcleo que podemos calcular ", dijo Hagen.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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