Các nghiên cứu lý thuyết tiên tiến do đội ngũ khoa học gia tại Trung tâm Khoa học Dựa trên Máy gia tốc Nishina của RIKEN thực hiện đã đưa ra một nhận định nền tảng về cấu trúc của các hạt nhân nặng. Công trình này chỉ ra rằng, thay vì mang hình dạng đối xứng trục như quả bóng bầu dục (rugby ball) như quan niệm trước đây, phần lớn các hạt nhân nặng thực chất sở hữu hình dạng ba trục (triaxial), có cấu trúc giống như quả hạnh nhân (almond-like) với các mặt cắt ngang hình bầu dục.
Chú thích: Các hình minh họa về nguyên tử thường mô tả hạt nhân như một khối tròn gồm neutron và proton
Phát hiện này trực tiếp đặt ra thách thức lớn đối với mô hình cấu trúc hạt nhân truyền thống, vốn được thiết lập bởi Aage Bohr và Ben Mottelson trong thập niên 1950. Mô hình tồn tại gần bảy thập kỷ này giả định rằng các hạt nhân nặng bị biến dạng sẽ kéo dài dọc theo một trục duy nhất, tương tự hình dạng quả bóng bầu dục. Sự khác biệt cơ bản này có thể dẫn đến việc phải xem xét lại các mô tả trong sách giáo khoa về cấu trúc và sự quay của hạt nhân.
Takaharu Otsuka, một nhà khoa học thỉnh giảng tại RIKEN, là người khởi xướng việc nghi ngờ giả định cũ, cho rằng hình dạng giống quả hạnh nhân với các mặt cắt ngang hình bầu dục có thể là cấu trúc tự nhiên hơn cho hạt nhân. Ban đầu, giả thuyết của ông phải đối mặt với sự phản đối đáng kể từ nhiều nhà vật lý hạt nhân khác. Tuy nhiên, nghiên cứu lý thuyết gần đây của Otsuka và các cộng sự đã chứng minh được tính đúng đắn của nhận định này.
Trong nghiên cứu, nhóm của Otsuka đã tận dụng khả năng tính toán phức tạp của siêu máy tính Fugaku, một trong những siêu máy tính mạnh nhất thế giới, có trụ sở tại Trung tâm Khoa học Tính toán RIKEN ở Kobe, Nhật Bản. Những phép tính quy mô lớn này đã xác nhận rằng hầu như tất cả các hạt nhân biến dạng hình elip nặng đều biểu hiện các hình dạng ba trục này, đánh dấu một sự dịch chuyển quan trọng trong việc hiểu biết về cấu trúc hạt nhân. Siêu máy tính Fugaku bắt đầu hoạt động thường xuyên vào năm 2021.
Hệ quả của khám phá này là rất lớn đối với lĩnh vực vật lý hạt nhân. Nó ngụ ý rằng các hạt nhân có thể quay quanh hai trục thay vì chỉ một trục duy nhất, điều này ảnh hưởng sâu sắc đến sự hiểu biết về sự quay của hạt nhân và nỗ lực tìm kiếm các nguyên tố siêu nặng mới. Hơn nữa, các kết quả lý thuyết này cho thấy sự nhất quán với các dự đoán từ khuôn khổ đối xứng proxy-SU(3), được giới thiệu vào năm 2017. Khung lý thuyết này dự đoán sự hiện diện của tính ba trục đáng kể (với góc gamma từ 15° đến 45°) dọc theo các sọc nhất định trên biểu đồ hạt nhân, bao gồm các số khối lượng nucleon từ 22–26, 34–48, 74–80, 116–124, và 172–182.
Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí khoa học "Physical Review C", được kỳ vọng sẽ định hướng cho các cuộc thăm dò trong tương lai về các đặc tính của hạt nhân kỳ lạ và các lực cơ bản điều chỉnh cấu trúc nguyên tử. Sự thay đổi mô hình này, từ hình quả bóng bầu dục sang hình quả hạnh nhân, đại diện cho một bước tiến lớn trong việc hiểu các quá trình vật lý cơ bản chi phối vật chất ở cấp độ nguyên tử.