Nieuwe berekeningen hebben de studie mogelijk gemaakt van bijna 700 isotopen tussen helium en ijzer, laten zien welke kernen kunnen bestaan ​​en welke niet. In een artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , wetenschappers van de TU Darmstadt, de Universiteit van Washington, het Canadese laboratorium TRIUMF, en de Universiteit van Mainz rapporteren hoe ze voor het eerst met behulp van innovatieve theoretische methoden een groot gebied van de kaart van nucliden simuleerden op basis van de theorie van de sterke interactie.

Atoomkernen worden bij elkaar gehouden door de sterke interactie tussen neutronen en protonen. Ongeveer tien procent van alle bekende kernen is stabiel. Uitgaande van deze stabiele isotopen, kernen worden steeds onstabieler naarmate neutronen worden toegevoegd of verwijderd, totdat neutronen niet meer aan de kern kunnen binden en eruit 'druppelen'. Deze bestaansgrens, de zogenaamde neutronen 'dripline, ' is tot nu toe alleen experimenteel ontdekt voor lichte elementen tot neon. Het begrijpen van de neutronendruppellijn en de structuur van neutronenrijke kernen speelt ook een sleutelrol in het onderzoeksprogramma voor de toekomstige versnellerfaciliteit FAIR in het GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Darmstadt.

In een nieuwe studie, "Ab Initio Grenzen van kernen, " gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven als Editors' Suggestion met een begeleidende synopsis in APS Physics, Professor Achim Schwenk van de TU Darmstadt en een Max Planck Fellow aan de MPI voor kernfysica in Heidelberg, samen met wetenschappers van de Universiteit van Washington, TRIUMF en de Universiteit van Mainz, slaagde erin de grenzen van atoomkernen te berekenen met behulp van innovatieve theoretische methoden tot middelzware kernen. De resultaten zijn een schat aan informatie over mogelijke nieuwe isotopen en bieden een routekaart voor kernfysici om ze te verifiëren.

De nieuwe studie is niet de eerste poging om het extreem neutronenrijke gebied van het nucleaire landschap theoretisch te verkennen. Eerdere studies gebruikten dichtheidsfunctionaaltheorie om gebonden isotopen tussen helium en de zware elementen te voorspellen. Professor Schwenk en collega's, anderzijds, verkende voor het eerst de kaart van nucliden op basis van ab initio nucleaire theorie. Uitgaande van microscopische interacties tussen twee en drie lichamen, ze losten de veeldeeltjes Schrödinger-vergelijking op om de eigenschappen van atoomkernen van helium tot ijzer te simuleren. Ze bereikten dit door gebruik te maken van een nieuwe ab initio veellichamenmethode - de In-Medium Similarity Renormalization Group - in combinatie met een extensie die gedeeltelijk gevulde orbitalen aankan om op betrouwbare wijze alle kernen te bepalen.

Uitgaande van twee- en drie-nucleon interacties op basis van de sterke interactie, kwantumchromodynamica, de onderzoekers berekenden de energieën in de grondtoestand van bijna 700 isotopen. De resultaten zijn consistent met eerdere metingen en dienen als basis voor het bepalen van de locatie van de neutronen- en protondruppellijnen. Vergelijkingen met experimentele massametingen en een statistische analyse maakten het mogelijk om theoretische onzekerheden voor hun voorspellingen te bepalen, zoals voor de scheidingsenergieën van kernen en dus ook voor de kans dat een isotoop gebonden is of niet bestaat (zie figuur).

De nieuwe studie wordt beschouwd als een mijlpaal in het begrijpen hoe de kaart van nucliden en de structuur van kernen voortkomt uit de sterke interactie. Dit is een belangrijke vraag van het door DFG gefinancierde Collaborative Research Center 1245 "Nuclei:From Fundamental Interactions to Structure and Stars" aan de TU Darmstadt, waarbinnen dit onderzoek is uitgevoerd. Volgende, de wetenschappers willen hun berekeningen uitbreiden naar zwaardere elementen om de input voor de simulatie van de synthese van zware elementen te bevorderen. Dit gebeurt in neutronenrijke omgevingen in de richting van de neutronendruppellijn en komt voor in de natuur wanneer neutronensterren samensmelten of in extreme supernova's.