Pour beaucoup d'entre nous, le terme « doublement magique » peut évoquer des images de Penn &Teller. Cependant, pour les physiciens nucléaires, il décrit des noyaux atomiques qui ont une plus grande stabilité que leurs voisins grâce à des coquilles entièrement occupées à la fois par des protons et des neutrons. Les physiciens théoriques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont récemment utilisé Titan, Le supercalculateur le plus puissant d'Amérique, pour calculer la structure nucléaire du nickel-78, composé de 28 protons et 50 neutrons, et a découvert que ce noyau riche en neutrons est en effet doublement magique. Les résultats, publié dans la revue Lettres d'examen physique , peut améliorer la compréhension de l'origine, organisation et interactions de la matière stable.

"En utilisant des calculs de premier principe exécutés sur Titan, nous avons confirmé qu'un noyau très exotique dont on sait peu de choses, nickel-78, est doublement magique, " a déclaré le physicien théoricien Gaute Hagen, qui a réalisé l'étude avec Gustav Jansen et Thomas Papenbrock. Le DOE Office of Science a soutenu la recherche.

Le terme « doublement magique » aurait été inventé par Eugene Wigner, ancien directeur de la recherche et du développement de l'installation de l'ère du projet Manhattan qui est devenue ORNL. Aux nombres magiques, qui comprennent 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126, soit les protons, soit les neutrons remplissent les coquilles complètes du noyau d'un atome. Les coquilles pour les protons et les coquilles pour les neutrons sont indépendantes les unes des autres. Si le nombre de protons et le nombre de neutrons sont tous les deux magiques, le noyau est dit « doublement magique ».

"L'énergie de liaison, ou l'énergie nécessaire pour éliminer soit un proton soit un neutron, est plus grand pour les noyaux doublement magiques par rapport à leurs voisins, " expliqua Hagen. La carte nucléaire montre que plusieurs isotopes doublement magiques - des éléments atomiques qui se comportent chimiquement de manière identique mais diffèrent physiquement en nombre de neutrons - existent près de la " vallée de la stabilité, " la région qui comprend tous les noyaux stables et à vie longue. Des exemples sont l'hélium-4, oxygène-16, calcium-40, calcium-48 et plomb-208.

Loin de cette vallée est une frontière, appelé la "ligne goutte à goutte à neutrons, " auquel plus aucun neutron ne peut être ajouté sans perte de liaison nucléaire. " Si vous ajoutez un autre neutron au noyau, le noyau s'effondre, ou le neutron 'goutte' hors du noyau, " a déclaré Hagen. " Il définit les frontières de la carte nucléaire, qui inclut tous les noyaux qui existent et sont liés par la force forte."

Les travaux de l'équipe ORNL abordent des questions telles que :Combien de neutrons peuvent être ajoutés à un noyau avant qu'il ne se désagrège ? Combien existe-t-il de noyaux stables ? Comment les noyaux atomiques plus légers capturent-ils les neutrons pour créer des éléments plus lourds dans les étoiles ?

"Avec ce noyau lourd, nous avons 78 protons et neutrons en interaction forte comme degrés de liberté fondamentaux, et les interactions entre eux que nous essayons de décrire, " a expliqué Hagen. "Résoudre numériquement ce problème de mécanique quantique à plusieurs corps est extrêmement coûteux. Vous ne pouvez pas le résoudre sur un morceau de papier. Vous avez besoin d'un superordinateur."

Pour élucider les fondements de la magie du nickel-78, les membres de l'équipe se sont tournés vers le système informatique Titan Cray XK7 de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL. Ils ont exécuté le code de structure nucléaire NUCCOR (Nuclear Coupled Cluster at Oak Ridge) pendant environ 5 millions d'heures d'unité centrale de traitement, alloués dans le cadre du programme Impact innovant et nouveau sur la théorie et l'expérimentation, ou INCITE. Grâce au Centre de préparation accélérée des applications de l'OLCF, Hagen dirige les travaux visant à améliorer les algorithmes utilisés dans NUCCOR pour calculer plus efficacement des noyaux plus gros sur des superordinateurs de plus en plus puissants.

"C'est le premier calcul réaliste de la structure du nickel-78 et de ses voisins à partir des premiers principes, " a déclaré Hagen. Un noyau a de nombreuses configurations énergétiques. Dans leurs simulations, les physiciens de l'ORNL ont calculé le premier état excité dans le nickel-78 et un voisin, nickel-80. Les expérimentateurs de RIKEN au Japon ont récemment mesuré cet état, et il sera intéressant de comparer la prédiction théorique de l'ORNL avec ces données. Le calcul ORNL prédit cet état dans le nickel-78 à partir d'une corrélation avec l'état similaire connu avec précision dans le calcium-48. Il a révélé "une signature de magie" pour le nickel-78, dit Hagen.

"Notre prédiction dit que vous pouvez ajouter un ou deux neutrons au nickel-78, et le noyau sera toujours lié. Nous prévoyons que la ligne de goutte à goutte s'étend au-delà du nickel-80, " a déclaré Hagen. "C'était aussi une découverte importante."

Prochain, les scientifiques exploreront des noyaux stables plus lourds, comme l'étain-100 et ses voisins. Parce que l'étain-100 est situé juste au niveau de la ligne de goutte à goutte de protons, l'ajout d'un autre proton provoque la désintégration du noyau. "Ce sont toutes des caractéristiques intéressantes du noyau que nous pouvons calculer, ", a déclaré Hagen.

Le titre du Lettres d'examen physique l'article est « Structure du 78Ni à partir des calculs des premiers principes ».