Predecir las propiedades de un núcleo atómico con un nivel de detalle sin precedentes

Con la ayuda de una supercomputadora, unos investigadores han desarrollado una nueva técnica que predice las propiedades de núcleos de átomos con un nivel récord de detalle.

El equipo lo encabeza Zhonghao Sun, antes en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) y ahora en la Universidad Estatal de Luisiana, en Estados Unidos ambas instituciones. La supercomputadora empleada es la que opera bajo el nombre de Frontier en dicho laboratorio.

A raíz de este estudio, se ha averiguado cómo se relaciona la estructura de un núcleo con la fuerza que lo mantiene cohesionado.

Este descubrimiento constituye un avance clave en el conocimiento tanto de la estructura del propio núcleo a nivel atómico como del comportamiento de sus partículas subatómicas. El hallazgo, además, será de gran utilidad para el progreso científico en física cuántica y en otras áreas, desde el sector energético hasta la seguridad nacional.

Un núcleo atómico gira y puede tener tanto una forma redonda como otra más similar a la de un balón de rugby. Históricamente, confeccionar un modelo computacional que capte características fundamentales del núcleo atómico, como la forma, la pequeña energía de rotación y la gran energía de los enlaces que mantienen la cohesión del núcleo, ha sido todo un reto.

En esta recreación artística, un núcleo atómico deformado en rotación se ilumina con resolución creciente, de izquierda a derecha. (Ilustración: Güneş Özcan / ORNL / U.S. Dept. of Energy)

A muy baja resolución, podemos imaginarnos al núcleo como una gota líquida que gira, tal como argumenta Gaute Hagen del ORNL. Sin embargo, a medida que aumenta la resolución, como se ha logrado con la nueva técnica, se distinguen más detalles sobre la estructura interna y se obtienen más datos sobre cómo interactúan las partículas subatómicas para conformar el núcleo atómico.

El equipo consiguió esto tras trabajar con modelos digitales de diversos comportamientos de partículas subatómicas en distintos niveles de energía. Los pasos para unir todos los factores en un modelo preciso fueron posibles gracias a la potencia de cálculo de Frontier, que opera a exaescala. Frontier es capaz de realizar más de un trillón de cálculos por segundo.

Los resultados de la investigación han revelado además que el núcleo atómico del neón-30 tiene más de una forma a la vez, con la coexistencia de una forma redonda y de otra deformada.

En el estudio se descubrió también cómo la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidas las partículas subatómicas, impulsa esta deformación.

A partir de estos hallazgos, el equipo desarrolló nuevos modelos de las propiedades nucleares, que requirieron el uso de Frontier para su creación pero que pueden ejecutarse en ordenadores portátiles convencionales, lo que facilitará su uso en investigaciones futuras.

Sun y sus colegas exponen los detalles técnicos de su avance en la revista académica Physical Review X, bajo el título “Multiscale Physics of Atomic Nuclei from First Principles”. (Fuente: NCYT de Amazings)