L'attività di ricerca del gruppo teorico dei LNS si inquadra all'interno dell'ampio settore della Fisica Nucleare che mira a comprendere le proprietà dei nuclei e della materia nucleare, dalle condizioni normali alle situazioni estreme di densità e temperatura che si possono ritrovare nel corso dell'esplosione di una supernova, negli oggetti stellari compatti, durante l'evoluzione dell'Universo primordiale e nelle collisioni fra ioni pesanti nelle macchine acceleratrici di ioni o nei "colliders".
I nuclei sono sistemi a molti corpi molto complessi governati da tre delle quattro interazioni fondamentali (forza forte, forza debole e forza elettromagnetica). La comprensione delle loro proprietà continua ad essere una sfida per fisici teorici e sperimentali. Una teoria adeguata dovrebbe essere in grado di descrivere non solo gli spettri nucleari, ma anche i vari tipi di transizione, dettati dall'interazione elettromagnetica, debole o forte, che governano l'eccitazione di questi livelli nucleari nel corso di una reazione nucleare o descrivono il processo di decadimento verso lo stato fondamentale. Inoltre, il comportamento di materia nucleare in varie condizioni di densità, temperatura, asimmetria neutrone-protone, che possono realizzarsi nelle stelle compatte (le stelle di neutroni, ad esempio) è estremamente affascinante. Poter comprendere per intero il diagramma di fase della materia nucleare, caratterizzandone l'Equazione di Stato, è fra gli scopi più importanti dello studio delle reazioni nucleari e, in particolare, degli esperimenti con ioni pesanti.

L'attività teorica dei LNS è inserita all'interno di due progetti nazionali (Iniziative Specifiche) dell'INFN (vd di seguito descrizione): MONSTRE (MOdeling Nuclear STructure and REactions) e SIM (Strongly Interacting Matter: matter under extreme conditions).

Lo scopo principale del progetto MONSTRE è quello di costruire un quadro unificato per lo studio dei nuclei atomici, delle reazioni nucleari e della materia fortemente interagente. In particolare, il progetto mira a unificare gli sviluppi più recenti nello studio della struttura nucleare e della teoria delle reazioni, al fine di fornire supporto a diversi progetti sperimentali relativi all'indagine su isotopi rari e nuclei esotici, al rilevamento della materia oscura e alla fisica elettrodebole, incluso il fenomeno delloscillazione dei neutrini e del doppio decadimento beta. Il progetto è composto da tre principali linee di ricerca: i) derivazione di interazioni nucleari e tecniche ab initio; ii) metodi per sistemi molti corpi e iii) unificazione di modelli di struttura e reazioni nucleari. L'unità LNS è attivamente coinvolta, anche attraverso numerose collaborazioni internazionali, nelle tre linee di ricerca. Particolare attenzione è dedicata allo studio delle reazioni di scambio di doppia carica attraverso luso di ioni pesanti allinterno del progetto NUMEN, accoppiando modelli avanzati di struttura nucleare (basati sulla teoria EDF) e tecniche di scattering quantistico. Saranno studiate le reazioni di attuale interesse sperimentale, anche per studi di doppio decadimento beta senza neutrini, con possibili implicazioni di forte impatto in fisica delle particelle, fisica dei neutrini e fisica nucleare. Sono inoltre condotti studi relativi ad applicazioni di medicina nucleare. Teorie di trasporto semi-classiche sono applicate alle reazioni di frammentazione di interesse per applicazioni mediche, che coinvolgono ioni leggeri ad energie intermedie.

Negli acceleratori di particelle è possibile far collidere ioni pesanti ad energie tali da creare un nuovo stato della materia: il plasma di quark e gluoni. Lo scopo è di studiare le proprietà di tale stato della materia che ha permeato i primi microsecondi dopo il Big-Bang e comprendere come avviene la transizione di fase che porta dalla materia di quark alla materia ordinaria di protoni e neutroni che costituisce il nucleo della materia atomica. In tali collisioni si raggiungono temperatura dell'ordine dei milioni di miliardi di gradi (10¹² K) per tempi dell'ordine di qualche centesimo di zeptosecondo (10^-23 secondi). Il gruppo teorico dei LNS ha esteso le tecniche teoriche della fisica nucleare a tale regime ultra-relativistico per descrivere l'evoluzione della materia creata negli esperimenti al LHC-CERN di Ginevra e al RHIC-BNL a Long Island, fornendo un interpretazione dei risultati e permettendo di suggerire nuove misure. Il gruppo coordina il progetto nazionale SIM dedicato a tali studi in collaborazione con Catania, Firenze, Torino e diversi istituti internazionali.