La découverte d’un état de 24 microsecondes bouscule les théories

Une équipe de chercheurs menée par Timothy Gray du Laboratoire national d’Oak Ridge du département américain de l’énergie a réalisé une étude qui pourrait révéler un changement inattendu dans la forme du noyau atomique. Cette découverte surprise pourrait affecter notre compréhension de ce qui maintient les noyaux ensemble, de la façon dont les protons et les neutrons interagissent et de la formation des éléments.

Un changement de forme quantique inattendu

Les formes et les énergies des noyaux atomiques peuvent évoluer dans le temps entre différentes configurations. Typiquement, les noyaux existent en tant qu’entités quantiques ayant soit des formes sphériques, soit des formes déformées. « Les premières ressemblent à des ballons de basket-ball, et les secondes à des ballons de football américain », explique Timothy Gray, physicien nucléaire.

Comment les formes et les niveaux d’énergie sont reliés est une question majeure encore ouverte pour la communauté scientifique. Les modèles de structure nucléaire ont du mal à extrapoler dans des régions avec peu de données expérimentales. Pour certains noyaux radioactifs exotiques, les formes prédites par les modèles traditionnels sont à l’opposé de celles observées.

Inversion des états fondamentaux et excités

En principe, l’énergie d’un état excité déformé peut baisser en dessous de celle d’un état fondamental sphérique, rendant la forme sphérique celle de haute énergie. De manière inattendue, ce renversement de rôle semble se produire pour certains noyaux exotiques lorsque le rapport naturel de neutrons à protons devient déséquilibré. Pourtant, les états excités sphériques post-inversion n’ont jamais été trouvés.

De nombreux exemples existent de noyaux à états fondamentaux sphériques et d’états excités déformés. De même, de nombreux noyaux ont des états fondamentaux déformés et des états excités subséquents qui sont également déformés, parfois avec des quantités ou des types de déformation différents. Cependant, les noyaux à la fois à états fondamentaux déformés et à états excités sphériques sont beaucoup plus insaisissables.

Découverte d’un état isomérique dans le sodium 32

En utilisant les données collectées en 2022 lors de la première expérience au Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), l’équipe de Gray a découvert un état excité de longue durée de vie du sodium 32 radioactif. Le nouvel état excité a une durée de vie inhabituellement longue de 24 microsecondes, environ un million de fois plus longue qu’un état excité nucléaire typique.

« Les états excités de longue durée de vie sont appelés isomères. Une longue durée de vie indique que quelque chose d’inattendu se produit. » explique Timothy Gray. Par exemple, si l’état excité est sphérique, une difficulté à revenir à un état fondamental déformé pourrait expliquer sa longue durée de vie.

« Nous caractérisons les corrélations entre les angles de deux rayons gamma émis dans une cascade« , ajoute Timothy Gray. « Les deux possibilités présentent des corrélations angulaires très différentes entre les rayons gamma. Si nous disposons de suffisamment de statistiques, nous pourrions démêler le modèle qui révèle une réponse claire. »

L’étude a impliqué 66 participants de 20 universités et laboratoires nationaux. Des co-chercheurs principaux sont venus du Lawrence Berkeley National Laboratory, de la Florida State University, de la Mississippi State University, de l’Université du Tennessee à Knoxville et d’ORNL.

En synthèse

Cette découverte d’un nouvel état isomérique de longue durée de vie dans le sodium 32 radioactif soulève des questions sur l’évolution des formes nucléaires loin de la stabilité. Des expériences complémentaires avec des faisceaux plus intenses seront nécessaires pour déterminer si cet état excité a une forme sphérique ou déformée. Cela pourrait avoir un impact sur notre compréhension de ce qui maintient les noyaux ensemble et de la façon dont les protons et les neutrons interagissent.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un état isomérique dans un noyau atomique ?

Un état isomérique est un état excité d’un noyau atomique ayant une durée de vie inhabituellement longue, de l’ordre de la microseconde à la milliseconde. Cette longue durée de vie est due à l’impossibilité ou la difficulté pour le noyau de revenir à son état fondamental en émettant des rayonnements.

Pourquoi cette découverte est-elle importante ?

Cette découverte remet en question les modèles de structure nucléaire loin de la stabilité et pourrait conduire à une meilleure compréhension de ce qui détermine les formes et énergies des noyaux exotiques. Elle soulève également des questions fondamentales sur les interactions entre protons et neutrons à l’intérieur des noyaux.

Quelles sont les prochaines étapes ?

Des expériences complémentaires avec des faisceaux plus intenses sont nécessaires pour déterminer de façon définitive si l’état isomérique découvert a une forme sphérique ou déformée. Cela permettra de tester les prédictions des différents modèles nucléaires. L’étude des états isomériques est un domaine de recherche actif pour mieux comprendre la structure nucléaire.

Le titre de l’article est « Microsecond Isomer at the N=20 Island of Shape Inversion Observed at FRIB » (Isomère microseconde à l’île N=20 de l’inversion de forme observée au FRIB). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.242501

Légende illustration : Un faisceau de noyaux de sodium-32 excités implante dans l’initiateur de la station de désintégration FRIB, qui détecte les signatures de désintégration des isotopes. Crédit : Gary Hollenhead, Toby King et Adam Malin/ORNL, U.S. Dept. of Energy. Crédit : Gary Hollenhead, Toby King and Adam Malin/ORNL, U.S. Dept. of Energy