För många av oss, termen "dubbel magi" kan framkalla bilder av Penn &Teller. Dock, för kärnfysiker, den beskriver atomkärnor som har större stabilitet än sina grannar tack vare att de har skal som är fullt upptagna av både protoner och neutroner. Teoretiska fysiker vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory använde nyligen Titan, Amerikas mest kraftfulla superdator, för att beräkna kärnkraftsstrukturen för nickel-78, bestående av 28 protoner och 50 neutroner, och fann att denna neutronrika kärna verkligen är dubbelt magisk. Resultaten, publicerad i tidningen Fysiska granskningsbrev , kan förbättra förståelsen av ursprunget, organisation och interaktioner mellan stabil materia.

"Med hjälp av första principberäkningar som körs på Titan, vi bekräftade att en mycket exotisk kärna om vilken lite man vet, nickel-78, är dubbelt magisk, "sa teoretiska fysikern Gaute Hagen, som utförde studien med Gustav Jansen och Thomas Papenbrock. DOE Office of Science stödde forskningen.

Uttrycket "dubbel magi" antas ha myntats av Eugene Wigner, tidigare forsknings- och utvecklingsdirektör för anläggningen på Manhattan Project-era som blev ORNL. Vid magiska siffror, som inkluderar 2, 8, 20, 28, 50, 82 och 126, antingen protonerna eller neutronerna fyller fullständiga skal av en atomkärna. Skalen för protoner och skalen för neutroner är oberoende av varandra. Om antalet protoner och antalet neutroner båda är magiska, kärnan sägs vara "dubbel magi".

"Bindningsenergin, eller energi som behövs för att ta bort antingen en proton eller en neutron, är större för dubbel magiska kärnor jämfört med sina grannar, "Hagen förklarade. Kärnkarta visar att flera dubbel magiska isotoper - atomiska element som kemiskt beter sig identiskt men fysiskt skiljer sig åt i antal neutroner - existerar nära" stabilitets dal, "regionen som omfattar alla stabila och långlivade kärnor. Exempel är helium-4, syre-16, kalcium-40, kalcium-48 och bly-208.

Bort från denna dal är en gräns, kallade "neutrondroppsledningen, "vid vilken inga fler neutroner kan tillsättas utan förlust av kärnbinding." Om du lägger till en annan neutron till kärnan, kärnan bara faller sönder, eller neutronen "droppar" ur kärnan, "Hagen sa." Det definierar gränserna för kärnkarta, som inkluderar alla kärnor som finns och är bundna av den starka kraften. "

ORNL -teamets arbete tar upp frågor som:Hur många neutroner kan läggas till en kärna innan den faller sönder? Hur många stabila kärnor finns? Hur fångar lättare atomkärnor neutroner för att skapa tyngre element i stjärnor?

"Med denna tunga kärna, vi har 78 starkt interagerande protoner och neutroner som de grundläggande frihetsgraderna, och interaktioner mellan dem som vi försöker beskriva, "Hagen förklarade." Att lösa detta kvantmekaniska problem med många kroppar numeriskt är oerhört dyrt. Du kan inte lösa det på ett papper. Du behöver en superdator. "

För att belysa grunden för nickel-78:s magi, lagmedlemmarna vände sig till Titan Cray XK7 -datasystemet vid Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science User Facility på ORNL. De körde kärnkraftsstrukturkoden NUCCOR (Nuclear Coupled Cluster at Oak Ridge) i cirka 5 miljoner timmar i centralenhet, fördelas genom programmet Innovative and Novel Impact on Theory and Experiment, eller INCITE. Genom OLCF:s Center for Accelerated Application Readiness, Hagen leder arbetet med att förbättra algoritmerna som används i NUCCOR för att beräkna större kärnor mer effektivt på allt starkare superdatorer.

"Detta är den första realistiska beräkningen av strukturen för nickel-78 och dess grannar från första principer, "sa Hagen. En kärna har många energikonfigurationer. I sina simuleringar, ORNL-fysikerna beräknade det första upphetsade tillståndet i nickel-78 och en granne, nickel-80. Experimentörer på RIKEN i Japan har nyligen mätt detta tillstånd, och det blir intressant att jämföra ORNL:s teoretiska förutsägelse med dessa data. ORNL-beräkningen förutsäger detta tillstånd i nickel-78 från en korrelation med det exakt kända liknande tillståndet i kalcium-48. Det avslöjade "en signatur av magi" för nickel-78, Sa Hagen.

"Vår förutsägelse säger att du kan lägga till en eller två neutroner till nickel-78, och kärnan kommer fortfarande att vara bunden. Vi förutsäger att droppledningen sträcker sig bortom nickel-80, "Hagen sa." Detta var också ett viktigt fynd. "

Nästa, forskarna kommer att utforska tyngre stabila kärnor, såsom tin-100 och dess grannar. Eftersom tenn-100 ligger precis vid protondroppsledningen, tillsats av ytterligare en proton gör att kärnan faller isär. "Det här är alla intressanta funktioner i kärnan som vi kan beräkna, "Sa Hagen.

Titeln på Fysiska granskningsbrev papper är "Structure of 78Ni from First-Principles Computations."