In een atoomkern, protonen en neutronen, gezamenlijk nucleonen genoemd, zijn met elkaar verbonden door kernkrachten. Deze krachten beschrijven de interacties tussen nucleonen, waardoor ze staten bezetten die in schelpen zijn gegroepeerd, waarbij elke schil een andere energie heeft en een bepaald aantal nucleonen kan herbergen. Er wordt gezegd dat een kern magisch is wanneer de neutronen of protonen hun respectieve schillen precies tot aan de rand vullen. Dergelijke magische kernen zijn bijzonder goed gebonden en hebben eigenschappen waardoor ze opvallen. In feite, de variatie van de eigenschappen van kernen met nucleongetal leidde zo'n 70 jaar geleden tot de formulering van het beroemde nucleaire schaalmodel, met zijn magische getallen 2, 8, 20, 28, 50, 82 en 126, die een spectaculair succes heeft gehad bij het beschrijven van veel van de eigenschappen van de stabiele kernen waaruit de wereld om ons heen bestaat.

Met de komst van deeltjesversnellerfaciliteiten, kortlevende kernen - zogenaamde zeldzame isotopen - die, bijvoorbeeld, veel meer neutronen dan protonen, kan worden geproduceerd en aan experimenten worden onderworpen. Onderzoek naar dergelijke exotische kernen onthulde dat de magische getallen niet zo onveranderlijk zijn als men zou verwachten van de stabiele neven van de zeldzame isotoop met minder neutronen. Er zijn nieuwe magische getallen gevonden en de getallen die bekend zijn van stabiele kernen kunnen voor sommige kortlevende kernen afwezig zijn. Dit wordt shell-evolutie genoemd.

Op aarde, zulke exotische kortlevende kernen bestaan ​​slechts voor een vluchtig moment geproduceerd in versnellerfaciliteiten. In het universum, echter, ze worden voortdurend gevormd in sterren, bijv. bij explosies op het oppervlak van neutronensterren, in supernova's, of in de gewelddadige botsingen van neutronensterren. In feite, de reacties en het verval van de zeldzame isotopen bepalen de elementaire abundanties die in het heelal worden waargenomen. Als we ooit willen begrijpen hoe de zichtbare materie om ons heen is ontstaan, we moeten de eigenschappen van de exotische kernen begrijpen en kunnen modelleren.

Professor Alexandra Gade van de Michigan State University werkte samen met collega's uit Japan en Frankrijk aan een uitgebreid overzichtsartikel in het prestigieuze Beoordeling van Moderne Natuurkunde tijdschrift over de krachten achter de waargenomen schaalevolutie van exotische kernen. Het artikel geeft een overzicht van de toestand van het veld en verbindt experimentele waarnemingen met theoretische vooruitgang in de beschrijving van zeldzame isotopen.

In de toekomst, vooruitgang op de experimentele en theoretische fronten worden verwacht door middel van nieuwe krachtige laboratoria, zoals de Facility for Rare Isotope Beams bij MSU, en high-performance computergebruik, bijvoorbeeld. De impact van het begrijpen van shell-evolutie gaat verder dan nucleaire astrofysica en strekt zich uit tot toepassingen zoals kernreactoren, nucleaire veiligheid, of nucleaire geneeskunde.

Gade's onderzoek wordt nu ondersteund door een subsidie ​​van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science.