Voor velen van ons, de term "dubbele magie" kan beelden van Penn &Teller oproepen. Echter, voor kernfysici, het beschrijft atoomkernen die een grotere stabiliteit hebben dan hun buren dankzij schillen die volledig worden ingenomen door zowel protonen als neutronen. Theoretisch natuurkundigen van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy gebruikten onlangs Titan, Amerika's krachtigste supercomputer, om de nucleaire structuur van nikkel-78 te berekenen, bestaande uit 28 protonen en 50 neutronen, en ontdekte dat deze neutronenrijke kern inderdaad dubbel magisch is. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , kan het begrip van de oorsprong verbeteren, organisatie en interacties van stabiele materie.

"Met behulp van eerste-principe berekeningen die op Titan worden uitgevoerd, we hebben bevestigd dat een zeer exotische kern waarover weinig bekend is, nikkel-78, is dubbel magisch, " zei theoretisch natuurkundige Gaute Hagen, die de studie uitvoerde bij Gustav Jansen en Thomas Papenbrock. Het DOE Office of Science ondersteunde het onderzoek.

De term "dubbele magie" zou zijn bedacht door Eugene Wigner, voormalig onderzoeks- en ontwikkelingsdirecteur van de faciliteit uit het Manhattan Project-tijdperk die ORNL werd. Bij magische getallen, waaronder 2, 8, 20, 28, 50, 82 en 126, ofwel de protonen of de neutronen vullen volledige schillen van de atoomkern. De schillen voor protonen en de schillen voor neutronen zijn onafhankelijk van elkaar. Als het aantal protonen en het aantal neutronen beide magisch zijn, de kern zou 'dubbele magie' zijn.

"De bindende energie, of energie die nodig is om een ​​proton of een neutron te verwijderen, is groter voor dubbel magische kernen in vergelijking met hun buren, Hagen legde uit. De nucleaire kaart laat zien dat verschillende dubbel magische isotopen - atomaire elementen die zich chemisch identiek gedragen maar fysiek verschillen in aantal neutronen - bestaan ​​in de buurt van de "vallei van stabiliteit, " het gebied dat alle stabiele en langlevende kernen omvat. Voorbeelden zijn helium-4, zuurstof-16, calcium-40, calcium-48 en lood-208.

Weg van deze vallei is een grens, genaamd de "neutronen infuuslijn, " waarbij geen neutronen meer kunnen worden toegevoegd zonder verlies van nucleaire binding. "Als je nog een neutron aan de kern toevoegt, de kern valt gewoon uit elkaar, of het neutron 'druppelt' uit de kern, "Zei Hagen. "Het definieert de grenzen van de nucleaire kaart, die alle kernen omvat die bestaan ​​en zijn gebonden door de sterke kracht."

Het werk van het ORNL-team behandelt vragen als:Hoeveel neutronen kunnen aan een kern worden toegevoegd voordat deze uit elkaar valt? Hoeveel stabiele kernen zijn er? Hoe vangen lichtere atoomkernen neutronen op om zwaardere elementen in sterren te creëren?

"Met deze zware kern, we hebben 78 sterk op elkaar inwerkende protonen en neutronen als fundamentele vrijheidsgraden, en interacties tussen hen die we proberen te beschrijven, Hagen legde uit. "Het numeriek oplossen van dit veel-deeltjes kwantummechanische probleem is enorm kostbaar. Je kunt het niet oplossen op een stuk papier. Je hebt een supercomputer nodig."

Om de onderbouwing van de magie van nikkel-78 op te helderen, de teamleden wendden zich tot het Titan Cray XK7-computersysteem in de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL. Ze voerden de nucleaire structuurcode NUCCOR (Nuclear Coupled Cluster at Oak Ridge) uit voor ongeveer 5 miljoen uren van de centrale verwerkingseenheid, toegekend via het programma Innovative and Novel Impact on Theory and Experiment, of INCITE. Via OLCF's Center for Accelerated Application Readiness, Hagen leidt het werk om de algoritmen die in NUCCOR worden gebruikt te verbeteren om grotere kernen efficiënter te berekenen op steeds krachtigere supercomputers.

"Dit is de eerste realistische berekening van de structuur van nikkel-78 en zijn buren van de eerste principes, " zei Hagen. Een kern heeft veel energieconfiguraties. In hun simulaties, de ORNL-natuurkundigen berekenden de eerste aangeslagen toestand in nikkel-78 en een buur, nikkel-80. Onderzoekers van RIKEN in Japan hebben onlangs deze toestand gemeten, en het zal interessant zijn om de theoretische ORNL-voorspelling met die gegevens te vergelijken. De ORNL-berekening voorspelt deze toestand in nikkel-78 uit een correlatie met de precies bekende vergelijkbare toestand in calcium-48. Het onthulde "een handtekening van magie" voor nikkel-78, zei Hagen.

"Onze voorspelling zegt dat je een of twee neutronen kunt toevoegen aan nikkel-78, en de kern zal nog steeds gebonden zijn. We voorspellen dat de infuuslijn verder gaat dan nikkel-80, "Zei Hagen. "Dit was ook een belangrijke bevinding."

Volgende, de wetenschappers zullen zwaardere stabiele kernen verkennen, zoals tin-100 en zijn buren. Omdat tin-100 zich direct bij de protondruppellijn bevindt, het toevoegen van een ander proton zorgt ervoor dat de kern uit elkaar valt. "Dit zijn allemaal interessante kenmerken van de kern die we kunnen berekenen, ' zei Hagen.

De titel van de Fysieke beoordelingsbrieven paper is "Structuur van 78Ni van First-Principles Computations."