Calculs ab initio globaux de l'hélium au fer (élément He et Fe). La zone grise montre les 700 noyaux atomiques calculés, tandis que la couleur (et la hauteur) de chaque isotope de nombre de neutrons N et de nombre de protons Z correspond à la probabilité qu'il soit lié (limite de probabilité). En comparaison, les lignes goutte à goutte de neutrons et de protons connues expérimentalement et l'isotope le plus récemment découvert sont représentés avec des symboles de goutte remplis et vides, respectivement. Crédit :Technische Universitat Darmstadt
De nouveaux calculs ont permis d'étudier près de 700 isotopes entre l'hélium et le fer, montrant quels noyaux peuvent exister et lesquels ne le peuvent pas. Dans un article publié dans Lettres d'examen physique , scientifiques de la TU Darmstadt, l'Université de Washington, le laboratoire canadien TRIUMF, et l'Université de Mayence rapportent comment ils ont simulé pour la première fois à l'aide de méthodes théoriques innovantes une grande région de la carte des nucléides basée sur la théorie de l'interaction forte.
Les noyaux atomiques sont maintenus ensemble par l'interaction forte entre les neutrons et les protons. Environ dix pour cent de tous les noyaux connus sont stables. A partir de ces isotopes stables, les noyaux deviennent de plus en plus instables à mesure que des neutrons sont ajoutés ou supprimés, jusqu'à ce que les neutrons ne puissent plus se lier au noyau et « s'égoutter ». Cette limite d'existence, la ligne de goutte à goutte à neutrons, ' n'a jusqu'à présent été découvert expérimentalement que pour des éléments légers jusqu'au néon. La compréhension de la ligne de goutte à goutte neutronique et de la structure des noyaux riches en neutrons joue également un rôle clé dans le programme de recherche du futur accélérateur FAIR du GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research à Darmstadt.
Dans une nouvelle étude, « Limites ab initio des noyaux, " publié dans la revue Lettres d'examen physique en tant que suggestion des éditeurs avec un synopsis d'accompagnement dans APS Physics, Le professeur Achim Schwenk de la TU Darmstadt et un boursier Max Planck du MPI for Nuclear Physics à Heidelberg, avec des scientifiques de l'Université de Washington, TRIUMF et l'Université de Mayence, a réussi à calculer les limites des noyaux atomiques en utilisant des méthodes théoriques innovantes jusqu'aux noyaux de masse moyenne. Les résultats sont une mine d'informations sur d'éventuels nouveaux isotopes et fournissent une feuille de route aux physiciens nucléaires pour les vérifier.
La nouvelle étude n'est pas la première tentative d'exploration théorique de la région extrêmement riche en neutrons du paysage nucléaire. Des études antérieures ont utilisé la théorie de la fonctionnelle de la densité pour prédire les isotopes liés entre l'hélium et les éléments lourds. Professeur Schwenk et ses collègues, d'autre part, a exploré pour la première fois la carte des nucléides sur la base de la théorie nucléaire ab initio. À partir d'interactions microscopiques à deux et trois corps, ils ont résolu l'équation de Schrödinger à plusieurs particules pour simuler les propriétés des noyaux atomiques de l'hélium au fer. Ils y sont parvenus en utilisant une nouvelle méthode ab initio à plusieurs corps, le groupe de renormalisation de la similarité en milieu, combinée à une extension capable de gérer des orbitales partiellement remplies pour déterminer de manière fiable tous les noyaux.
A partir d'interactions à deux et trois nucléons basées sur l'interaction forte, chromodynamique quantique, les chercheurs ont calculé les énergies de l'état fondamental de près de 700 isotopes. Les résultats sont cohérents avec les mesures précédentes et servent de base pour déterminer l'emplacement des lignes d'égouttement de neutrons et de protons. Des comparaisons avec des mesures de masse expérimentales et une analyse statistique ont permis de déterminer des incertitudes théoriques pour leurs prédictions, comme pour les énergies de séparation des noyaux et donc aussi pour la probabilité qu'un isotope soit lié ou n'existe pas (voir figure).
La nouvelle étude est considérée comme une étape importante dans la compréhension de la manière dont le graphique des nucléides et la structure des noyaux émergent de l'interaction forte. C'est une question clé du Centre de recherche collaboratif financé par la DFG 1245 "Nuclei:From Fundamental Interactions to Structure and Stars" à la TU Darmstadt, dans lequel cette recherche a été menée. Prochain, les scientifiques souhaitent étendre leurs calculs à des éléments plus lourds afin de faire progresser les apports pour la simulation de la synthèse d'éléments lourds. Cela se produit dans des environnements riches en neutrons dans la direction de la ligne de goutte à goutte de neutrons et se produit dans la nature lorsque les étoiles à neutrons fusionnent ou dans des supernovae extrêmes.
