Expérience Isoltrap : nouveau nombre magique dans le noyau atomique

Grâce à un nouvel instrument associé à l’installation ISOLDE au CERN**, la collaboration ISOLTRAP* a mesuré la masse de noyaux de calcium exotiques qui établissent clairement un nouveau « nombre magique » lié à la stabilité de cette espèce.

Ces résultats permettent ainsi de mieux comprendre comment les noyaux peuvent être décrits du point de vue de la force forte, l’une des forces fondamentales.

"Les nouvelles mesures d’une expérience classique à basse énergie auprès de l’installation ISOLDE viennent compléter de récents résultats importants obtenus sur le radon, à l’aide de faisceaux post-accélérés, et sur l’astate, à l’aide de faisceaux laser au niveau de la source", a déclaré le Directeur général du CERN, Rolf Heuer.

Ces résultats mettent en lumière dans les isotopes du calcium un nombre magique qui n’était pas prévu dans le « modèle en couches » d’origine, pour lequel Maria Goeppert-Mayer et Hans Jensen ont reçu le prix Nobel en 1963, il y a exactement 50 ans. Dans ce modèle, les protons et neutrons d’un noyau sont structurés en « couches » rappelant celles des électrons dans les atomes. Les nombres magiques correspondent à des couches nucléaires pleines, dans lesquelles les constituants sont plus étroitement liés, ce qui se traduit par une plus grande stabilité et des masses plus légères.

L’équipe d’ISOLTRAP a utilisé l’installation ISOLDE pour produire des isotopes exotiques du calcium, qui possède un nombre magique de 20 protons dans une couche complète. Son objectif était de comprendre la manière dont la structure en couches évolue avec un nombre croissant de neutrons. On notera que le calcium ordinaire, constitué de 20 neutrons, est doublement magique, et qu’un isotope rare à longue durée de vie du calcium possède 28 neutrons – un autre nombre magique.

Elle est maintenant parvenue à mesurer les masses des isotopes du calcium jusqu’au calcium 54, qui est constitué de 34 neutrons et de 20 protons. Ces mesures permettent ainsi non seulement de révéler un nouveau nombre magique, le 32, mais également de déterminer les interactions nucléaires dans les noyaux exotiques riches en neutrons.

"Avec une énergie de couche de 4 MeV environ, le nouveau résultat obtenu pour le calcium 52 rivalise avec celui des nombres magiques classiques", a souligné Klaus Blaum, membre de l’Institut Max Planck de physique nucléaire, à Heidelberg (Allemagne), et porte-parole de la collaboration ISOLTRAP.

Ces résultats remarquables sont attribuables à un nouveau type de dispositif, intégré à l’expérience ISOLTRAP. Équipé de deux miroirs électrostatiques, cet instrument permet de séparer les ions en fonction de leur masse avec une précision sans précédent, en mesurant leur temps de vol sur une distance de plusieurs kilomètres.

"Nous avons déjà utilisé le dispositif de mesure du temps de vol multi-réflecteur comme séparateur de masse, mais c’est la première fois qu’on l’utilise en tant que spectromètre de masse, pour mesurer la masse d’un noyau exotique", a souligné Frank Wienholtz, doctorant à l’Université Ernst-Moritz-Arndt, à Greifswald (Allemagne), et auteur principal de l’article publié sur la question dans la revue Nature.

Outre les mesures des masses, l’article fait état de prédictions de physiciens de l’Université technique de Darmstadt, s’appuyant sur une théorie moderne prenant en compte les forces à trois corps. Le calcium est la chaîne isotopique la plus lourde à laquelle ont été appliquées des forces à trois nucléons, en se fondant sur une théorie effective des champs, dérivée de la chromodynamique quantique (la théorie qui décrit la force forte). Les résultats d’ISOLTRAP concordent très bien avec les calculs théoriques et montrent à quel point une description de noyaux extrêmement riches en neutrons peut être liée à une connaissance plus approfondie des forces nucléaires.

Pour en savoir plus :

Lire l’article : « Masses of exotic calcium isotopes pin down nuclear forces », qui sera publié le 20 juin dans la revue Nature doi: 10.1038/nature 12226.

* La collaboration ISOLTRAP comprend des chercheurs de l’Université Ernst-Moritz-Arndt, à Greifswald (Allemagne) ; du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, à Darmstadt (Allemagne) ; de l’Institut Max-Planck de physique nucléaire, à Heidelberg (Allemagne) ; de la Katholieke Universiteit, à Heverlee (Belgique) ; de l’Université d’Istanbul (Turquie) ; de l’ExtreMe Matter Institute EMMI, GSI, à Darmstadt (Allemagne) ; du CERN (Suisse) ; du centre CSNSM-IN2P3-CNRS, de l’Université Paris-Sud, à Orsay (France) et de la Technische Universität, à Dresde (Allemagne).

** Le CERN, Organisation européenne pour la recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche en physique des particules du monde.

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