Noyaux atomiques brisés : révéler leurs formes mystérieuses

Noyaux atomiques brisés : révéler leurs formes mystérieuses

Les physiciens ont découvert une nouvelle façon d'étudier la forme des noyaux atomiques : en les détruisant lors de collisions à haute énergie. Cette méthode pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre la forme des noyaux, qui influence, par exemple, le taux de formation des éléments dans les étoiles et aider à déterminer quels matériaux sont les mieux adaptés comme combustible nucléaire.

"La forme des noyaux influence presque tous les aspects du noyau atomique et des processus nucléaires", explique Jie Meng, physicien nucléaire à l'Université de Pékin. La nouvelle méthode d'imagerie, publiée le 6 novembre dans la revue Nature, représente « une avancée importante et passionnante », a déclaré Meng.

Une équipe du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire national de Brookhaven à Upton, New York, est entrée en collision avec deux faisceaux d'uranium 238, puis deux faisceaux d'or, à des énergies extrêmes. Ils sont entrés en collision "si violemment que nous avons fait fondre les noyaux dans une soupe", explique le co-auteur Jiangyong Jia, physicien à l'université Stony Brook de New York.

Le plasma chaud créé par les collisions s’est dilaté très rapidement sous pression, et cela était lié à la forme initiale des noyaux. À l'aide d'un détecteur appelé Solenoidal Tracker at RHIC, ou STAR, qui a détecté l'impulsion de plusieurs milliers de particules produites par les deux types de collisions et a comparé les résultats avec des modèles, l'équipe a pu « remonter le temps pour déduire la forme des noyaux », explique Jia.

Personnages cachés

Un noyau atomique est constitué de protons et de neutrons, qui occupent des niveaux d'énergie comme les électrons. En général, les particules prennent une forme qui minimise l'énergie du système. Semblable à une goutte d’eau, le noyau peut prendre diverses formes, notamment celle d’une poire, d’un ballon de football américain ou d’une coquille de cacahuète. La forme d’un noyau est « très difficile à prédire théoriquement », explique Jia. Elle peut aussi au fil du temps en raison des fluctuations quantiques varier.

Des expériences antérieures visant à explorer la forme impliquaient de dévier les ions de faible énergie des noyaux. Cette méthode - appelée excitation coulombienne - excite les noyaux et le rayonnement qu'ils émettent lorsqu'ils retombent dans leur état fondamental révèle des aspects de leur forme. L’échelle de temps étant relativement longue, ce type d’imagerie ne peut afficher qu’une image à long terme montrant la moyenne de toutes les fluctuations de forme.

En revanche, la méthode de collision à haute énergie fournit une image instantanée des noyaux lors de l’impact. Il s'agit d'une méthode plus directe, qui la rend plus adaptée à l'étude de formes exotiques, explique Jia.

La technique a confirmé que l’or avait une forme presque sphérique, constante d’une image à l’autre. En revanche, la forme de l’uranium a changé dans les instantanés à mesure que les noyaux entraient en collision dans différentes orientations. Cela a permis aux chercheurs de calculer les longueurs relatives du noyau d'uranium en trois dimensions, ce qui suggère que l'uranium est non seulement étiré mais également légèrement comprimé dans une dimension, à la manière d'un ballon de football américain dégonflé.

"C'est fascinant que cela ait fonctionné" et que d'autres processus nucléaires n'aient pas affecté l'émission des particules et masqué la déformation, déclare Magdalena Zielińska, physicienne nucléaire à l'Agence française des énergies alternatives et de l'énergie atomique, près de Paris.

Dur ou mou ?

Ce type d'imagerie pourrait aider à relever le défi consistant à distinguer les noyaux « rigides », c'est-à-dire qu'ils ont des formes bien définies, et les noyaux « mous », qui fluctuent, explique Zielińska.

Jia dit que son équipe souhaite également utiliser cette méthode pour étudier les différences entre les ions légers comme l'oxygène et le néon. Les noyaux d'oxygène sont presque sphériques, tandis que les noyaux de néon, qui transportent deux protons et deux neutrons supplémentaires, sont considérés comme courbés. Comparer leurs formes permettrait aux chercheurs de comprendre comment les protons et les neutrons forment des amas dans les noyaux, a expliqué Jia.

Les informations sur la forme peuvent également révéler si les noyaux sont susceptibles d'interagir les uns avec les autres ou de subir une réaction de fission nucléaire, et peuvent augmenter la probabilité d'un processus appelé double sans neutrinos Désintégration β pour découvrir ce qui pourrait aider à résoudre certains mystères de longue date de la physique. Environ 99,9 % de la matière visible se trouve au centre des atomes, explique Jia. « Comprendre l’élément constitutif du nucléaire est pratiquement au cœur de la compréhension de qui nous sommes. »

1. Collaboration STAR Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).

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