Découverte de preuves de superradiance dans la désintégration alpha des noyaux miroirs

Les scientifiques appellent les noyaux atomiques des « systèmes quantiques à plusieurs corps » car ils sont formés de nombreuses particules (nucléons, qui comprennent des neutrons et des protons) qui interagissent les unes avec les autres de manière complexe. Les noyaux peuvent absorber de l’énergie, les plaçant dans des états excités. Ces états perdent alors de l’énergie par désintégration et peuvent émettre différentes particules. Les divers processus de désintégration et d’émission de particules sont appelés canaux de désintégration. L’interaction entre les caractéristiques internes des états excités et les différents canaux de désintégration donne lieu à des phénomènes intéressants.

L’un de ces phénomènes est la superradiance. Cela se produit lorsqu’un noyau atteint une énergie d’excitation élevée. Selon le modèle de la coquille nucléaire, les noyaux sont excités en promouvant les nucléons vers des coquilles supérieures. Ces configurations sont appelées états excités. À mesure que l’énergie d’excitation disponible augmente, le nombre de façons dont les nucléons peuvent être promus augmente, donc le nombre d’états excités augmente. La superradiance peut se produire lorsque des états excités sont si proches les uns des autres que des états excités voisins se chevauchent. Si cela se produit, au lieu d’observer de nombreux états, nous ne voyons qu’un seul état « superradiant ».

Pour trouver des preuves de superradiance dans les noyaux, les physiciens nucléaires recherchent deux systèmes qui ont la même structure interne mais des canaux de désintégration différents. Les noyaux miroirs ont le même nombre total de protons et de neutrons, mais le nombre de protons dans l’un est égal au nombre de neutrons dans l’autre. La structure interne des noyaux miroirs est la même puisque la force nucléaire est la même que ce soit entre deux protons, deux neutrons, ou un proton et un neutron. Cela rend la force nucléaire « indépendante de la charge ». Cependant, les canaux de désintégration sont différents en raison de la répulsion de charge électrique différente dans les deux systèmes en raison de la différence du nombre de protons de chaque système.

Dans une nouvelle étude publiée dans Examen physique Cdes scientifiques de la Texas A&M University, de l’institut de recherche CEA en France, de l’Université de Birmingham, au Royaume-Uni, et de la Florida State University ont trouvé des preuves de l’effet de superradiance dans les différences entre les états de décomposition alpha dans Oxygen-18 et Neon-18.

L’équipe de recherche a étudié la structure du néon-18 en diffusant un faisceau radioactif instable d’oxygène-14 sur une épaisse cible de gaz d’hélium-4. La cible de gaz a permis aux expérimentateurs de mesurer les trajectoires des particules entrantes et sortantes et de produire une reconstruction complète des événements nucléaires. La structure de l’oxygène-18 avait déjà été étudiée à la Florida State University en diffusant du carbone-14 sur une cible d’hélium-4 à l’aide d’un accélérateur de particules. Cette expérience a eu de très bons résultats, permettant aux chercheurs d’utiliser les informations sur les états excités de l’Oxygène-18 pour trouver les paramètres initiaux pour l’analyse des données du Néon-18.

Comme attendu de l’indépendance de la charge de la force nucléaire, les chercheurs ont trouvé une correspondance entre les états miroirs dans les deux noyaux, bien que certaines différences soient apparues lors de la comparaison de la force des états miroirs. Si la structure interne des noyaux est la même, on s’attendrait à ce que les niveaux de miroir aient la même force, mais dans ces cas, l’alignement avec des canaux de désintégration légèrement différents produit des différences observées. Les chercheurs ont interprété ces différences comme une preuve de l’effet de superradiance.

Des recherches connexes ont également été publiées dans Physique des communications.