Utilizzando il supercomputer Frontier dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia, i ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica che prevede le proprietà nucleari con un livello di dettaglio record.

Lo studio ha rivelato come la struttura di un nucleo sia correlata alla forza che lo tiene insieme. Questa comprensione potrebbe far progredire gli sforzi nella fisica quantistica e in una varietà di settori, dalla produzione di energia alla sicurezza nazionale.

“Le nostre previsioni affidabili forniranno nuove intuizioni allo studio delle forze e della struttura nucleare”, ha affermato Zhonghao Sun della Louisiana State University, precedentemente dell’ORNL.

Le scoperte del team, pubblicate sulla rivista Physical Review X , fanno progredire la conoscenza sia della struttura del nucleo stesso a livello atomico sia dei comportamenti delle sue particelle subatomiche. Un nucleo ruota e può avere sia una forma rotonda che una forma deformata, simile a un pallone da football. Storicamente, costruire un modello computazionale che catturi una varietà di queste caratteristiche, come la forma, la piccola energia di rotazione e la grande energia di legame che tiene insieme il nucleo, è stata una sfida.

“A una risoluzione molto bassa, il nucleo potrebbe essere visto come una goccia di liquido che ruota”, ha affermato Gaute Hagen dell’ORNL. “Man mano che la risoluzione aumenta, si vedono più dettagli sulla struttura interna e si apprende di più su come le particelle subatomiche interagiscono per costruire il nucleo”.

Un team guidato dall’Oak Ridge National Laboratory ha utilizzato il supercomputer Frontier, il primo sistema exascale al mondo, per modellare nuclei atomici scientificamente interessanti. Credito: Carlos Jones/ORNL, US Dept. of Energy

Il team ha raggiunto questa migliore comprensione dopo aver modellato una varietà di comportamenti di particelle a diversi livelli di energia, dove il comportamento cambia. I passaggi per unire tutti i fattori in un modello accurato sono stati resi possibili dalla potenza di calcolo di Frontier. Eseguendo a exascale, Frontier è in grado di eseguire più di un quintilione di calcoli al secondo.

I risultati hanno rivelato che un raro nucleo noto come 30-neon ha forme sia rotonde che deformate che coesistono. Eseguendo milioni di calcoli, il team ha imparato come la forza nucleare forte, che tiene insieme le particelle subatomiche, guida questa deformazione. Il team ha sviluppato nuovi modelli di proprietà nucleari basati su questi risultati, che hanno richiesto l’uso di Frontier per la loro creazione ma possono essere eseguiti su laptop per consentire ampi studi futuri. 

“Le nuove tecniche che abbiamo introdotto sono davvero rivoluzionarie, consentendoci di calcolare con precisione la struttura e il comportamento di un nucleo deformato”, ha affermato Sun. “Questo si trova sulla frontiera della ricerca scientifica nucleare”. 

L’Office of Science del DOE, l’Office of Nuclear Physics e l’Office of Advanced Scientific Computing Research hanno supportato questa ricerca. Frontier è ospitato presso l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, una struttura utente dell’Office of Science del DOE.

UT-Battelle gestisce l’ORNL per il DOE Office of Science, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni, visita energy.gov/science . — Chris Driver

Un nucleo deformato e rotante è illuminato con risoluzione crescente a stadi di energia più elevati, da sinistra a destra. Credito: Güne? Özcan/ORNL, US Dept. of Energy