Ο ατομικός πυρήνας είναι ένα σκληρό καρύδι. Η ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των πρωτονίων και των νετρονίων που το αποτελούν εξαρτάται από πολλές ποσότητες, και αυτά τα σωματίδια, συλλογικά γνωστά ως νουκλεόνια, υπόκεινται όχι μόνο σε δυνάμεις δύο σωμάτων αλλά και σε δυνάμεις τριών σωμάτων. Αυτά και άλλα χαρακτηριστικά καθιστούν τη θεωρητική μοντελοποίηση των ατομικών πυρήνων μια πρόκληση.

Τις τελευταίες δεκαετίες, ωστόσο, οι εξ αρχής θεωρητικοί υπολογισμοί, που προσπαθούν να περιγράψουν πυρήνες από τις πρώτες αρχές, άρχισαν να αλλάζουν την κατανόησή μας για τους πυρήνες. Αυτοί οι υπολογισμοί απαιτούν λιγότερες υποθέσεις από τα παραδοσιακά πυρηνικά μοντέλα και έχουν ισχυρότερη προγνωστική ισχύ. Τούτου λεχθέντος, επειδή μέχρι στιγμής μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων των πυρήνων μέχρι μια συγκεκριμένη ατομική μάζα, δεν μπορούν πάντα να συγκριθούν με τους λεγόμενους υπολογισμούς DFT, οι οποίοι είναι επίσης θεμελιώδεις και ισχυροί και υπάρχουν εδώ και πολύ καιρό. Μια τέτοια σύγκριση είναι απαραίτητη για τη δημιουργία ενός πυρηνικού μοντέλου που να είναι εφαρμόσιμο σε όλους τους τομείς.

Σε ένα έγγραφο που μόλις δημοσιεύτηκε στο Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης, μια διεθνής ομάδα στις εγκαταστάσεις ISOLDE του CERN δείχνει πώς ένας μοναδικός συνδυασμός πειραματικών δεδομένων υψηλής ποιότητας και αρκετών υπολογισμών πυρηνικής φυσικής ab initio και DFT έχει οδηγήσει σε εξαιρετική συμφωνία μεταξύ των διαφορετικών υπολογισμών, καθώς και μεταξύ των δεδομένων και των υπολογισμών.

«Η μελέτη μας δείχνει ότι η πυρηνική θεωρία ακριβείας από τις πρώτες αρχές δεν είναι πλέον όνειρο», λέει ο Stephan Malbrunot του CERN, ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας. «Στην εργασία μας, οι υπολογισμοί συμφωνούν μεταξύ τους, καθώς και με τα δεδομένα ISOLDE για τους πυρήνες νικελίου, σε μια μικρή θεωρητική αβεβαιότητα».

Χρησιμοποιώντας μια σειρά πειραματικών μεθόδων στο ISOLDE, συμπεριλαμβανομένης μιας τεχνικής για την ανίχνευση του φωτός που εκπέμπεται από άτομα μικρής διάρκειας όταν το φως λέιζερ ακτινοβολείται πάνω τους, ο Malbrunot και οι συνεργάτες του προσδιόρισαν τις ακτίνες (φόρτισης) μιας σειράς βραχύβιων πυρήνων νικελίου, που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, 28, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Αυτά τα 28 πρωτόνια γεμίζουν ένα πλήρες κέλυφος μέσα στον πυρήνα, με αποτέλεσμα πυρήνες που είναι πιο ισχυρά συνδεδεμένοι και σταθεροί από τους πυρηνικούς γείτονές τους. Τέτοιοι «μαγικοί» πυρήνες είναι εξαιρετικές περιπτώσεις δοκιμών για πυρηνικές θεωρίες, και όσον αφορά την ακτίνα τους, οι πυρήνες νικελίου είναι οι τελευταίοι ανεξερεύνητοι μαγικοί πυρήνες που έχουν μάζα εντός της περιοχής μάζας στην οποία μπορούν να γίνουν υπολογισμοί εξ αρχής και DFT.

Συγκρίνοντας τα δεδομένα ακτίνων ISOLDE με τρεις υπολογισμούς ab initio και έναν υπολογισμό DFT, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι υπολογισμοί συμφωνούν με τα δεδομένα, καθώς και μεταξύ τους, σε μια θεωρητική αβεβαιότητα ενός μέρους στους εκατό.

«Μια συμφωνία σε αυτό το επίπεδο ακρίβειας καταδεικνύει ότι τελικά θα καταστεί δυνατή η κατασκευή ενός μοντέλου που θα είναι εφαρμόσιμο σε ολόκληρο το διάγραμμα των πυρήνων», λέει ο Malbrunot.