Une équipe de scientifiques a dévoilé un nouveau « nombre magique » en physique nucléaire, essentiel pour comprendre la stabilité des noyaux atomiques. La physique nucléaire continue de percer les mystères qui régissent la structure de la matière à l’échelle subatomique. Dans ce domaine, les « nombres magiques » sont un concept important, qui représente des quantités spécifiques de protons ou de neutrons conférant une stabilité considérable à un noyau atomique. L’identification de ces valeurs cruciales permet aux scientifiques de mieux comprendre l’organisation des noyaux. Si les nombres magiques associés aux isotopes stables et de longue durée sont bien définis depuis des décennies, le tableau est nettement plus complexe pour les isotopes hautement instables et à durée de vie extrêmement courte. L’étude de ces formes rares et éphémères de la matière fournit aux chercheurs des indices importants sur le comportement des structures nucléaires dans des conditions extrêmes. Ces découvertes nous permettent non seulement de mieux comprendre comment les éléments se sont formés dans l’univers, mais elles élargissent également nos connaissances sur les forces fondamentales qui maintenaient les noyaux atomiques. La recherche dans ce domaine est essentielle pour le progrès de la physique fondamentale et ses applications.
Un nouveau « nombre magique » pour la physique nucléaire
Dans une avancée majeure récente, des scientifiques de l’Institut de physique moderne (IMP) de l’Académie chinoise des sciences ont réussi à mesurer pour la première fois la masse du silicium 22. Cet isotope est exceptionnellement instable et pauvre en neutrons. Leurs travaux ont montré que, dans le silicium-22, le nombre de protons de 14 se comporte comme un nouveau nombre magique confirmé, selon Scitech Daily.
Les noyaux atomiques sont composés de protons et de neutrons. Lorsque leur nombre atteint certaines valeurs, telles que 2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126, le noyau devient plus stable. Ce phénomène a été expliqué dans les années 1940 et 1950 par Maria Goeppert Mayer et J. Hans D. Jensen à travers le modèle des couches nucléaires, travail pour lequel ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1963.
Ces dernières années, des recherches sur les noyaux « exotiques » – loin de la vallée de stabilité où se trouvent les isotopes stables – ont identifié de nouveaux nombres magiques de neutrons, tels que 14, 16, 32 et 34. Cependant, l’observation expérimentale de nouveaux nombres magiques de protons a été beaucoup plus rare.
Auparavant, les scientifiques avaient découvert que dans l’oxygène-22 (avec 14 neutrons et 8 protons), le nombre de neutrons 14 présentait des caractéristiques « magiques ». En se basant sur la symétrie nucléaire spéculaire, les théoriciens ont prédit que le nombre de protons 14 devrait également être un nombre magique dans son noyau miroir, le silicium-22 (avec 8 neutrons et 14 protons). Cependant, générer et mesurer ce dernier est extrêmement difficile en raison de sa faible production et de sa courte durée de vie, une prédiction théorique qui n’avait pas été vérifiée jusqu’à présent.
Avancées méthodologiques et implications
À l’aide d’une spectroscopie de masse isochrone améliorée et définie par Bρ, les chercheurs de l’IMP ont réussi à mesurer la masse de l’état fondamental du silicium-22 dans l’anneau de stockage et de refroidissement de l’installation de recherche sur les ions lourds de Lanzhou. En outre, ils ont amélioré la précision de la masse de leur silicium-23 précédemment mesuré d’environ sept fois.
Les résultats obtenus montrent que le silicium-22 possède une énergie de séparation de deux protons positive, c’est-à-dire qu’il ne perd pas spontanément deux protons. Cela confirme son statut de noyau situé sur la ligne de fuite des protons sans radioactivité de deux protons, mettant ainsi fin à un débat de longue date en physique nucléaire.
À partir de cette nouvelle valeur de masse, l’équipe a calculé l’énergie de couplage des protons du silicium 22 et l’a comparée à l’énergie de couplage des neutrons de son noyau miroir, l’oxygène 22, ce qui a révélé le nouveau nombre magique de protons 14. Cette découverte est corroborée par le modèle des couches de Gamow.
Bien que le silicium 22 présente des propriétés magiques doubles similaires à celles de l’oxygène 22, l’étude a révélé que sa distribution spatiale des protons est plus dispersée que celle des neutrons de l’oxygène 22, ce qui montre une légère rupture de la symétrie. Cette étude approfondit la compréhension des structures nucléaires exotiques et offre de nouvelles perspectives sur les interactions des nucléons et l’existence de noyaux extrêmement inhabituels.
