Le noyau lourd change de forme à différentes énergies

Un nouvel article met en lumière la nature des noyaux atomiques. L’étude est publiée dans la revue Examen physique C.

Tout dans l’univers, des plus grandes galaxies jusqu’aux atomes individuelsest régi par quatre forces fondamentales, qui ensemble décrivent comment les particules interagissent les unes avec les autres et composent le monde tel que nous le connaissons. Celles-ci incluent la force électromagnétique, la gravité et les forces nucléaires faibles et fortes.

Après une étude récente au Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) et à l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, les chercheurs font un pas de plus vers la compréhension de la force nucléaire forte, l’une des forces les plus mystérieuses.

“Plus de 50% des procédures médicales dans les hôpitaux impliquent aujourd’hui des isotopes nucléaires. Et la plupart de ces isotopes ont été découverts lors de recherches fondamentales comme nous le faisons”, a déclaré Robert Janssens, professeur à l’UNC-Chapel Hill et co-auteur de le papier.

Leur travail s’appuie sur les théories fondamentales des structures atomiques qui ont vu le jour avec la physicienne d’Argonne et lauréate du prix Nobel Maria Goeppert Mayer au début des années 1960. Elle a aidé à développer un modèle mathématique pour la structuration de noyaux. Son modèle expliquait pourquoi un certain nombre de protons et de neutrons dans le noyau d’un atome le rendait extrêmement stable, un phénomène qui avait déconcerté les scientifiques pendant un certain temps.

L’équipe de recherche a précédemment mené des expériences similaires pour étudier la force nucléaire forte en examinant comment la structure d’un noyau peut changer lorsqu’il est produit dans un état excité par une réaction nucléaire. Ces expériences et d’autres réalisées ailleurs les ont amenés à étudier le nickel-64, qui contient 64 neutrons et protons. Ce noyau est le noyau de nickel stable le plus lourd, avec 28 protons et 36 neutrons. Cet isotope du nickel a des propriétés qui permettent à sa structure de changer lorsqu’il est excité à des états d’énergie plus élevés.

Pour leur expérience, l’équipe a utilisé le système d’accélérateur Argonne Tandem Linac, une installation utilisateur du DOE Office of Science, pour accélérer un échantillon de noyaux de Ni-64 vers une cible de plomb. Les atomes de plomb ont pu exciter les noyaux de Ni-64 grâce aux forces électromagnétiques résultant de la répulsion entre les protons du plomb et les protons du nickel.

Le processus ressemble à mettre un sac de pop-corn au micro-ondes. Au fur et à mesure que les grains se réchauffent, ils commencent à apparaître dans toutes les formes et tailles différentes. Le pop-corn qui sort du micro-ondes sera différent de ce qui y est entré et, surtout, les grains auront changé de forme en raison de l’énergie exercée sur eux.

Une fois les noyaux de Ni-64 excités, un instrument appelé GRETINA a détecté les rayons gamma libérés lorsque les noyaux sont revenus à leur état fondamental. Un autre détecteur nommé CHICO2 a déterminé la direction des particules impliquées dans l’interaction. Les données obtenues par les détecteurs ont permis à l’équipe de déterminer la ou les formes que prenait le Ni-64 lorsqu’il était excité.

De l’analyse des données, il a été conclu que les noyaux de Ni-64 excités par les interactions avec le plomb ont également changé de forme. Mais au lieu d’apparaître dans des formes pelucheuses familières, le nickelLe noyau atomique sphérique de s’est transformé en l’une des deux formes en fonction de la quantité d’énergie exercée sur lui : aplati, comme une poignée de porte, ou allongé, comme un ballon de football. Cette découverte est inhabituelle pour les noyaux lourds comme le Ni-64, qui se composent de nombreux protons et neutrons.

“Un modèle est une image de la réalité et ce n’est un modèle valide que s’il peut expliquer ce qui était connu auparavant, et s’il a un certain pouvoir prédictif”, a déclaré le professeur Janssens. “Nous étudions la nature et le comportement des noyaux pour améliorer en permanence nos modèles actuels de la force nucléaire forte.”

En fin de compte, les chercheurs espèrent que leurs découvertes dans le Ni-64 et les noyaux environnants pourront jeter les bases de futures découvertes pratiques dans le domaine des sciences nucléaires, telles que l’énergie nucléaire, l’astrophysique et la médecine.