I en atomkärna, protoner och neutroner, gemensamt kallade nukleoner, är bundna av kärnvapen. Dessa krafter beskriver växelverkan mellan nukleoner, som får dem att ockupera stater grupperade i skal, där varje skal har olika energi och kan vara värd för ett visst antal nukleoner. En kärna sägs vara magisk när neutronen eller protonerna råkar exakt fylla upp sina respektive skal upp till kanten. Sådana magiska kärnor är särskilt väl bundna och har egenskaper som gör att de sticker ut. Faktiskt, variationen av egenskaperna hos kärnor med nukleonnummer ledde till formuleringen av den berömda kärnskalsmodellen för cirka 70 år sedan, med dess magiska nummer 2, 8, 20, 28, 50, 82 och 126, som har haft spektakulära framgångar med att beskriva många av egenskaperna hos de stabila kärnor som utgör världen omkring oss.

Med tillkomsten av partikelacceleratoranläggningar, kortlivade kärnor – så kallade sällsynta isotoper – som har, till exempel, många fler neutroner än protoner, kan produceras och utsättas för experiment. Studier av sådana exotiska kärnor avslöjade att de magiska siffrorna inte är så oföränderliga som man kan förvänta sig av de sällsynta isotopens stabila kusiner med mindre neutroner. Nya magiska tal hittades och de som är kända från stabila kärnor kan saknas för vissa kortlivade kärnor. Detta kallas skalevolution.

På jorden, sådana exotiska kortlivade kärnor existerar bara under ett flyktigt ögonblick som produceras vid acceleratoranläggningar. I universum, dock, de bildas ständigt i stjärnor, t.ex., i explosioner på ytan av neutronstjärnor, i supernovor, eller i de våldsamma kollisioner av neutronstjärnor. Faktiskt, reaktionerna och sönderfallet hos de sällsynta isotoperna bestämmer de elementära överflöd som observeras i universum. Om vi ​​någonsin vill förstå hur den synliga materien omkring oss kom till, vi måste förstå och kunna modellera egenskaperna hos de exotiska kärnorna.

Professor Alexandra Gade vid Michigan State University samarbetade med kollegor från Japan och Frankrike i en omfattande översiktsartikel i den prestigefyllda Granskning av Modern Physics tidskrift om krafterna bakom den observerade skalutvecklingen av exotiska kärnor. Artikeln går igenom fältets tillstånd och kopplar experimentella observationer till teoretiska framsteg i beskrivningen av sällsynta isotoper.

I framtiden, framsteg på de experimentella och teoretiska fronterna förväntas genom nya kraftfulla laboratorier, såsom anläggningen för sällsynta isotopstrålar vid MSU, och högpresterande datorer, till exempel. Effekten av att förstå skalets evolution sträcker sig bortom kärnastrofysik och sträcker sig till tillämpningar som kärnreaktorer, kärnsäkerhet, eller nuklearmedicin.

Gades forskning stöds nu av ett anslag från U.S. Department of Energy Office of Science.