La microscopie nucléaire connaît une mutation profonde grâce aux dernières innovations technologiques. Les physiciens du Laboratoire National de Brookhaven ont mis au point une méthode d’observation qui dévoile les subtilités structurelles des noyaux atomiques. Une découverte qui bouleverse les paradigmes établis dans l’étude de la matière fondamentale.
Au cœur du Collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC), les chercheurs exploitent désormais les collisions de particules à haute énergie pour décrypter la géométrie nucléaire. Cette installation du Département américain de l’Énergie permet d’obtenir des mesures d’une précision sans précédent.
«Notre nouvelle méthode de mesure quantifie non seulement la forme globale du noyau, mais également la triaxialité subtile, les différences relatives entre ses trois axes principaux qui caractérisent une forme intermédiaire entre le ‘ballon de football’ et la ‘mandarine’» a précisé le professeur Jiangyong Jia de l’Université Stony Brook, une observation qui remet en question les modèles traditionnels.
Un changement de paradigme méthodologique
La technique haute énergie se distingue radicalement des approches conventionnelles. Le Dr Chun Shen, théoricien à l’Université Wayne State, a expliqué : «Dans les expériences à basse énergie, le processus s’apparente à une photographie à longue exposition. Notre méthode capture des instantanés ultra-rapides qui révèlent les variations subtiles de l’arrangement des protons à des échelles temporelles très courtes».
Les images obtenues par le détecteur STAR proviennent d’événements de collision distincts. «Chaque collision détruit les noyaux observés, mais l’analyse collective des données permet une reconstruction tridimensionnelle précise des structures nucléaires» a souligné le Dr Chunjian Zhang, membre junior de la faculté de l’Université Fudan.
L’équipe scientifique a mené une analyse comparative approfondie entre les collisions de noyaux d’or quasi-sphériques et celles impliquant des noyaux d’uranium à forme allongée. Les modèles d’écoulement des particules émises ont révélé des propriétés inattendues des noyaux d’uranium.
Le professeur Dean Lee, théoricien à la Facility for Rare Isotope Beams, a ajouté : «La méthode haute énergie capture une quantité considérable d’informations et de complexité inaccessibles dans les expériences à basse énergie. Chaque collision fige un instant précis et montre une distribution différente due à la nature quantique des noyaux atomiques».
Une prouesse technique et computationnelle
La réalisation des modèles prédictifs a nécessité plus de 20 millions d’heures de calcul sur l’Open Science Grid. Shengli Huang, chercheur à l’Université Stony Brook, a conclu : «Les collisions centrales des noyaux d’or produisent un plasma quarks-gluons circulaire de taille fixe qui se dilate uniformément dans toutes les directions, tandis que les noyaux d’uranium oblongs peuvent entrer en collision selon diverses orientations, générant des gouttelettes de plasma aux formes et tailles variables».
Les calculs ont conduit à la production de plus de dix millions d’événements de collision simulés, confrontés ensuite aux données expérimentales. Les résultats ont mis en évidence des différences significatives dans les trois axes principaux des noyaux d’uranium, suggérant une complexité structurelle supérieure aux hypothèses initiales.
Cette méthode novatrice trouve des applications dans de multiples domaines, notamment l’étude de la fission nucléaire, la formation d’éléments lourds lors des collisions d’étoiles à neutrons, et la recherche de désintégrations particulaires exotiques. Les protocoles développés seront également utilisés pour analyser les données du Grand Collisionneur de Hadrons et du futur Collisionneur Électron-Ion.
Légende illustration : Représentation artistique de traces de particules chargées provenant de la collision de deux noyaux d’uranium, superposée à une esquisse du détecteur STAR au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC). Les noyaux d’uranium entrants, dont la taille est exagérée, sont montrés contractés le long de la direction du faisceau, illustrant les effets d’un déplacement proche de la vitesse de la lumière. En analysant les flux de particules provenant de nombreuses collisions de ce type, les scientifiques peuvent reconstituer la forme des noyaux entrant en collision à l’origine. (Chunjian Zhang/Université de Fudan et Jiangyong Jia/Université detony Brook)
Article : ‘Imaging shapes of atomic nuclei in high-energy nuclear collisions’ / ( 10.1038/s41586-024-08097-2 ) – DOE/Brookhaven National Laboratory – Publication dans la revue Nature
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