Nya beräkningar har möjliggjort studier av nästan 700 isotoper mellan helium och järn, visar vilka kärnor som kan existera och vilka som inte kan. I en artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev , forskare från TU Darmstadt, University of Washington, det kanadensiska laboratoriet TRIUMF, och University of Mainz rapporterar hur de för första gången simulerade med innovativa teoretiska metoder en stor del av nukliddiagrammet baserat på teorin om den starka interaktionen.

Atomkärnor hålls samman av den starka interaktionen mellan neutroner och protoner. Ungefär tio procent av alla kända kärnor är stabila. Utgående från dessa stabila isotoper, kärnor blir allt mer instabila när neutroner tillsätts eller tas bort, tills neutroner inte längre kan binda sig till kärnan och "droppa" ut. Denna existensgräns, den så kallade neutron-droplinjen, 'har hittills upptäckts experimentellt bara för ljuselement upp till neon. Att förstå neutrondroplinjen och strukturen för neutronrika kärnor spelar också en nyckelroll i forskningsprogrammet för den framtida acceleratoranläggningen FAIR vid GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Darmstadt.

I en ny studie, "Ab Initio gränser för kärnor, "publicerad i tidningen Fysiska granskningsbrev som ett redaktörsförslag med en åtföljande synopsis i APS Physics, Professor Achim Schwenk från TU Darmstadt och Max Planck -stipendiat vid MPI för kärnfysik i Heidelberg, tillsammans med forskare från University of Washington, TRIUMF och University of Mainz, lyckades beräkna gränserna för atomkärnor med innovativa teoretiska metoder upp till medelmassakärnor. Resultaten är en skattkista med information om möjliga nya isotoper och ger en färdplan för kärnfysiker för att verifiera dem.

Den nya studien är inte det första försöket att teoretiskt utforska den extremt neutronrika regionen i kärnkraftslandskapet. Tidigare studier använde funktionell teori för densitet för att förutsäga bundna isotoper mellan helium och de tunga elementen. Professor Schwenk och kollegor, å andra sidan, utforskade diagrammet över nuklider för första gången baserat på kärnteori ab initio. Utgående från mikroskopiska två- och trekroppsinteraktioner, de löste Schrödinger-ekvationen med många partiklar för att simulera egenskaperna hos atomkärnor från helium till järn. De uppnådde detta genom att använda en ny ab initio multi-body-metod-In-Medium Similarity Renormalization Group-kombinerad med en förlängning som kan hantera delvis fyllda orbitaler för att på ett tillförlitligt sätt bestämma alla kärnor.

Utgående från två- och tre-nukleoninteraktioner baserat på den starka interaktionen, kvantkromodynamik, forskarna beräknade grundtillståndenergierna för nästan 700 isotoper. Resultaten överensstämmer med tidigare mätningar och tjänar som grund för att bestämma placeringen av neutron- och protondroplinerna. Jämförelser med experimentella massmätningar och en statistisk analys möjliggjorde bestämning av teoretiska osäkerheter för deras förutsägelser, såsom för kärnornas separationsenergier och därmed också för sannolikheten att en isotop är bunden eller inte existerar (se figur).

Den nya studien anses vara en milstolpe för att förstå hur diagrammet över nuklider och kärnans struktur kommer fram ur den starka interaktionen. Detta är en nyckelfråga för DFG-finansierade Collaborative Research Center 1245 "Nuclei:From Fundamental Interactions to Structure and Stars" vid TU Darmstadt, inom vilken denna forskning genomfördes. Nästa, forskarna vill utvidga sina beräkningar till tyngre element för att främja input för simulering av syntesen av tunga element. Detta fortsätter i neutronrika miljöer i riktning mot neutrondroplinjen och sker i naturen när neutronstjärnor smälter samman eller i extrema supernovor.