Forza nucleare forte, scienziati vicini ad una teoria grazie ai super- computer

Un atomo si disintegrerebbe all'istante senza l'effetto colla della forza nucleare forte

Come la gravità, l’interazione nucleare forte è una forza fondamentale della natura. E’ la colla che tiene uniti i nuclei atomici – protoni e neutroni – per formare gli atomi, i componenti di tutta la materia visibile nell’Universo. Ma nonostante il suo fondamentale ruolo in natura, i ricercatori stanno ancora cercando leggi sufficientemente precise che governano la forza nucleare forte. Tuttavia, la recente scoperta di un effimero nucleo atomico chiamato fluoro-14 negli esperimenti di laboratorio potrebbe indicare che gli scienziati si trovano sulla buona strada nella comprensione di queste leggi. Infatti, l’esistenza di questo nucleo era stata prevista attraverso complessi modelli al calcolatore.

Il fluoro-14 comprende nove protoni e cinque neutroni nel proprio nucleo, ma esiste in questa forma solo per una frazione di secondo prima che un protone sfugga dal nucleo facendolo diventare quello di un atomo di ossigeno-13. Un team di ricercatori guidato da James Vary, un professore di fisica della Iowa State University, aveva previsto le proprietà del fluoro-14 con l’aiuto di scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Computational Research Division, oltr che con l’uso del supercomputer del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) e della Oak Ridge Facility Leadership Computing. Le previsioni sono state sostanzialmente confermate attraverso esperimenti condotti dal team di Vladilen Goldberg presso il Texas A & M Ciclotrone Institute, che ha registrato il primo avvistamento di fluoro-14.

“Questo è un vero e proprio esempio della capacità predittiva della teoria che sta alla base dei modelli”, spiega Vary. “Quando abbiamo pubblicato la nostra teoria un anno fa, il fluoro-14 non era mai stato osservato sperimentalmente. In realtà, la nostra teoria ha aiutato la squadra che lavorava al ciclotrone, che era stata appena incaricata di condurre un esperimento. Una volta che il loro lavoro è stato fatto, hanno constatato un accordo praticamente perfetto con la nostra teoria”.

Vary ha osservato che la capacità di prevedere in modo affidabile le proprietà dei nuclei esotici con i supercomputer aiuta a spianare la strada dei ricercatori nel tentativo di migliorare il rapporto costo-benefici nei progetti di nuovi reattori nucleari, nel predire i risultati di esperimenti di prossima generazione negli acceleratori che producono isotopi rari ed esotici, così come per meglio comprendere fenomeni come le supernovae e le stelle di neutroni.

“Non saremo mai in grado di viaggiare vicino ad una stella di neutroni per studiarla da vicino, così l’unico modo per acquisire conoscenze sul suo comportamento è quello di capire come i nuclei esotici come il fluoro-14 si comportano”, dice Vary.

Con la scoperta del fluoro-14, i ricercatori hanno finora scoperto circa 3.000 nuclei in esperimenti di laboratorio e sospettano che altri 6.000 possano essere ancora creati e studiati. Comprendere le proprietà di questi nuclei offrirà ai ricercatori nuove intuizioni sulla forza forte, che potrebbero a loro volta essere applicate per sviluppare e migliorare le fonti di energia del futuro.

Qualche numero? I calcoli da effettuare per costruire il modello di previsione che ha portato alla scoperta del fluoro-14 ha richiesto 6 ore di calcolo su 30.000 processori (per un equivalente 180.000 ore di calcolo, ossia oltre 20 anni di calcoli su un singolo processore).