Os a¡tomos em um gás podem parecer festeiros em uma rave nanosca³pica, compartículas voando ao redor, emparelhando-se e voando novamente de maneira aparentemente aleata³ria. No entanto, os fa­sicos criaram fa³rmulas que prevaªem esse comportamento, mesmo quando os a¡tomos estãoextremamente pra³ximos e podem puxar e puxar uns aos outros de maneiras complicadas.

O ambiente dentro do núcleo de um aºnico a¡tomo parece semelhante, com pra³tons e naªutrons também dançando. Mas, como o núcleo éum espaço compacto, os cientistas tem se esforçado para identificar o comportamento dessaspartículas, conhecidas como núcleos, no núcleo de um a¡tomo. Os modelos que descrevem as interações de núcleos distantes se rompem quando aspartículas se emparelham e interagem de perto.

Agora, uma equipe liderada pelo MIT simulou o comportamento de pra³tons e naªutrons em vários tipos de núcleos ata´micos, usando alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo. A equipe explorou uma ampla gama de modelos de interação nuclear e descobriu, surpreendentemente, que as fa³rmulas que descrevem como os a¡tomos se comportam em um gás podem ser generalizadas para prever como pra³tons e naªutrons interagem a curta distância no núcleo.

Quando os núcleos estãoseparados por menos de 1 femta´metro - 1 quatrilionanãsimo de metro, os pesquisadores descobriram outra surpresa: aspartículas se emparelham da mesma forma, independentemente de habitarem um núcleo pequeno como o hanãlio ou um mais aglomerado como o ca¡lcio.

“Esses pares de curto alcance realmente não se importam com o ambiente - estejam eles em uma grande festa ou em uma festa de cinco pessoas, não importa - eles formação pares da mesma maneira universal”, diz Reynier Cruz- Torres, que co-liderou o trabalho como estudante de graduação em física no MIT.

Esse comportamento de curto alcance éprovavelmente universal para todos os tipos de núcleos ata´micos, como os núcleos muito mais densos e complicados dos a¡tomos radioativos.

“As pessoas não esperavam que esse tipo de modelo capturasse núcleos, que são alguns dos objetos mais complicados da física”, diz Or Hen, professor assistente de física do MIT. “Apesar de uma diferença de densidade de mais de 20 ordens de magnitude entre um a¡tomo e um núcleo, ainda podemos encontrar esse comportamento universal e aplica¡-lo a muitos problemas abertos em física nuclear.”

A equipe publicou seus resultados hoje na revista Nature Physics . Os co-autores do MIT incluem Axel Schmidt, um afiliado de pesquisa do Laborata³rio de Ciência Nuclear, junto com colaboradores da Universidade Hebraica, Los Alamos e Laborata³rios Nacionais Argonne e várias outras instituições.

Hen busca entender as confusas interações entre pra³tons e naªutrons em um alcance extremamente curto, onde o puxa£o e puxa£o entre os núcleos no ambiente muito pequeno e denso do núcleo tem sido notoriamente difa­cil de definir. Durante anos, ele se perguntou se um conceito da física atômica conhecido como formalismo de contato também poderia ser aplicado a  física nuclear e ao funcionamento interno do núcleo.

De maneira muito ampla, o formalismo de contato éuma descrição matemática geral que prova que o comportamento dos a¡tomos em uma nuvem depende de sua escala: aqueles que estãolonge uns dos outros seguem uma certa física, enquanto os a¡tomos muito pra³ximos seguem um conjunto inteiramente separado de física. Cada grupo de a¡tomos realiza suas interações alheios ao comportamento do outro grupo. De acordo com o formalismo de contato, por exemplo, sempre havera¡ um certo número de pares ultraclose, independentemente do que outros a¡tomos, mais distantes, estejam fazendo na nuvem.

Hen se perguntou se o formalismo de contato também poderia descrever as interações dentro do núcleo de um a¡tomo.

“Achei que não épossí­vel que vocêveja esse belo formalismo, que foi uma revolução na física atômica, e ainda assim não podemos fazer isso funcionar para a física nuclear”, diz Hen. "Era uma conexão muito forte."

Os pesquisadores primeiro se uniram a Ronen Weiss e Nir Barnea na Universidade Hebraica, que liderou o desenvolvimento de uma generalização tea³rica do formalismo de contato ata´mico, para descrever um sistema geral departículas em interação. Eles então procuraram simularpartículas em um ambiente nuclear pequeno e denso, para ver se os padraµes de comportamento emergiriam entre os núcleons de curto alcance, de uma maneira totalmente separada daquela de núcleos de longo alcance, conforme previsto pelo formalismo de contato generalizado.

O grupo simulou interações departículas dentro de vários núcleos ata´micos leves, variando de três núcleos no hanãlio a 40 no ca¡lcio. Para cada tipo de núcleo ata´mico, eles executaram um algoritmo de amostragem aleata³rio para gerar um filme de onde cada um dos pra³tons e naªutrons em um determinado núcleo poderia estar ao longo do tempo.

“Em um determinado momento, essaspartículas podem se distribuir de uma maneira, interagindo entre si com um determinado esquema, onde este se emparelha com aquele, por exemplo, e uma terceira parta­cula échutada. Então, em outro momento, eles sera£o distribua­dos de forma diferente ”, explica o co-autor principal Diego Lonardoni, um fa­sico do Laborata³rio Nacional de Los Alamos e da Michigan State University. “Então, repetimos esses ca¡lculos várias vezes para alcana§ar o equila­brio.”

Para ver surgir qualquer tipo de equila­brio, ou padra£o, a equipe teve que simular toda a física possí­vel entre cada uma daspartículas, gerando milhares de instanta¢neos para cada tipo de núcleo. Para realizar esse número de ca¡lculos normalmente seriam necessa¡rios milhões de horas de processamento.

“Meu laptop levaria mais do que a idade do universo para terminar o ca¡lculo”, diz Hen. “Se vocêdistribuir o ca¡lculo entre 10.000 processadores, podera¡ obter o resultado em um tempo em escalas humanas.”

Portanto, a equipe usou supercomputadores em Los Alamos e no Argonne National Laboratory - alguns dos computadores mais poderosos do mundo - para distribuir o trabalho em paralelo.

Depois de executar as simulações, eles trazram uma distribuição de núcleons para cada tipo de núcleo que simularam. Por exemplo, para um núcleo de oxigaªnio, eles encontraram uma certa porcentagem de núcleos dentro de 1 fermi de distância, e outra porcentagem que estava ligeiramente mais próxima, e assim por diante.

Surpreendentemente, eles descobriram que, para núcleos de longo alcance, a distribuição variava amplamente de um tipo de núcleo para outro. Mas para nucleons de curto alcance com menos de 1 femta´metro de distância, as distribuições entre os tipos ata´micos pareciam exatamente as mesmas, não importando se os nucleons habitavam um núcleo ultraleve de hanãlio ou um núcleo de carbono mais denso. Em outras palavras, os núcleons de curto alcance se comportavam independentemente de seu ambiente de escala maior, semelhante a como o comportamento ata´mico édescrito por meio do formalismo de contato.

“Nossa descoberta oferece uma maneira nova e simples de definir a parte de curta distância da distribuição nuclear que, junto com a teoria existente, permite essencialmente obter a distribuição completa”, diz Hen. “Com isso, podemos testar a natureza do neutrino e calcular as taxas de resfriamento de estrelas de naªutrons, entre outras questões em aberto.”

Essa pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, a Pazy Foundation, a Israeli Science Foundation e a Clore Foundation.