Le noyau atomique ressemble à une boîte à musique : à l'intérieur, les nucléons (protons et neutrons) se déplacent sur leurs orbites, comme les picots qui effleurent le peigne. Mais pour certains noyaux, comme le magnésium-32, cette boîte ne joue pas la mélodie attendue selon le schéma habituel de remplissage des couches. Les physiciens appellent ces régions des « îles d'inversion ». Pour comprendre comment un neutron « sonne » lors d'une collision avec un tel noyau, il faut décrire leur interaction — et jusqu'ici, on devait se fier à des modèles globaux grossiers, ajustés sur des données moyennes.

Dans ce nouveau travail, un potentiel optique (la représentation mathématique de la façon dont le noyau diffuse un neutron) a été construit pour la première fois pour les isotopes du magnésium 24, 26, 28 et 32, directement à partir de la structure du noyau. Au lieu d'ajuster des paramètres, on a utilisé des calculs ab initio : le modèle en couches sans cœur à symétrie adaptée (SA-NCSM) fournit des densités invariantes par translation qui décrivent aussi bien la structure que la réaction. Cette approche ne nécessite aucun paramètre libre — tout est déterminé par les interactions fondamentales des nucléons.

Le résultat pour le magnésium-24 stable coïncide avec les données expérimentales de diffusion totale, réactionnelle et élastique des neutrons à des énergies de 65 à 250 MeV. C'est comme si la mélodie prédite à partir du plan de la boîte correspondait au son réel. Ensuite, la même « mélodie » a été jouée pour les isotopes plus lourds : magnésium-26 et 28, ainsi que l'instable magnésium-32. La comparaison avec les potentiels globaux populaires (Koning-Delaroche et Weppner-Penney) et les évaluations ENDF a montré où ces modèles se trompent, en particulier près de l'île d'inversion à N=20.

Cette approche ab initio ouvre la voie à une description plus précise des réactions nucléaires pour les isotopes exotiques, importants en astrophysique (par exemple, lors de la synthèse des éléments dans les étoiles) et dans les technologies nucléaires. Désormais, au lieu de se fier à une « mélodie moyenne » universelle, on peut calculer une partition individuelle pour chaque noyau.