Explorer des paysages nucléaires exotiques et leurs implications cosmiques

Des chercheurs de l’Université de Pékin en Chine ont observé avec succès l’état insaisissable 02+ de 8He, révélant une nouvelle structure d’amas avec deux paires de neutrons fortement corrélées. Cette découverte donne un aperçu des structures nucléaires exotiques et de leurs implications potentielles pour la compréhension des étoiles à neutrons. Les résultats sont publiés dans Lettres d’examen physique.

Le modèle nucléaire conventionnel en physique postule une image à particule unique dans laquelle les nucléons, les protons et les neutrons se déplacent indépendamment au sein d’un noyau, formant une structure de coque bien définie. Régis par un potentiel moyen créé par les forces nucléaires, les nucléons remplissent des niveaux d’énergie ou des coquilles distincts, conduisant à une stabilité accrue associée aux nombres magiques.

Ce modèle, ancré dans la mécanique quantique, explique avec succès la structure et la stabilité nucléaires, mais se heurte à des limites lorsqu’il s’agit de noyaux exotiques, en particulier ceux qui sont riches en neutrons et instables.

Le premier auteur de l’étude, le professeur Zaihong Yang, a expliqué la motivation de l’équipe à Phys.org : « En tant que physicien nucléaire, l’un de nos principaux objectifs est de comprendre quelle est la structure du noyau et comment elle résulte des interactions nucléaires complexes. entre les nucléons constitutifs.

La structure en amas de type condensat dans le noyau riche en neutrons 8He est particulièrement intéressante.

« Un état d’amas de type condensat composé d’un amas alpha et de deux amas de dineutrons a été théoriquement prédit dans le noyau riche en neutrons 8He, mais son observation expérimentale est restée insaisissable en raison de la difficulté de production et d’identification de cet état d’amas exotique,  » a déclaré le professeur Yang.

États de cluster et états résonants de 8He

L’état d’amas mentionné fait référence à une configuration nucléaire spécifique dans le noyau riche en neutrons 8He.

Dans cet état, deux paires de neutrons fortement corrélées, appelées amas de dineutrons, se combinent avec un amas alpha (quatre noyaux d’hélium), formant ce que les chercheurs décrivent comme une « structure d’amas de type condensat ».

Le terme « de type condensat » fait une analogie avec les condensats de Bose-Einstein (BEC), un état de la matière formé à des températures extrêmement basses.

Dans les BEC, les particules telles que les atomes occupent le même état quantique, présentant un comportement collectif. De même, dans le contexte de l’état d’amas 8He, le terme suggère que les deux amas de dineutrons et l’amas alpha contribuent collectivement à la structure nucléaire.

Les amas de dineutrons sont notés 02+, le « 0 » indiquant la parité de spin (dans ce cas, le spin 0), le « 2 » étant l’état énergétique et le « + » la parité (positive).

Pour observer l’état théorisé, l’équipe de recherche a réalisé une expérience de diffusion nucléaire au Centre RIKEN Nishina au Japon. Cette entreprise expérimentale a été conçue pour sonder et scruter l’état théorisé de l’amas au sein de 8He.

L’accent a été mis sur des caractéristiques distinctives, notamment la parité de spin insaisissable de l’état du cluster, une force de transition monopôle isoscalaire inhabituellement considérable et l’émission d’une paire de neutrons fortement corrélée.

« Avec les calculs théoriques de pointe, nos résultats fournissent des preuves solides que les quatre neutrons de valence dans l’état excité 02+ de 8He peuvent former deux paires de neutrons fortement corrélées (amas de dineutrons) et former en outre un condensat exotique. comme la structure des clusters », a expliqué le professeur Yanlin Ye, deuxième auteur de l’étude.

Cette réalisation valide non seulement les prédictions théoriques, mais souligne également l’ingéniosité requise dans la conception expérimentale pour naviguer dans les subtilités de la physique nucléaire.

En parlant de cela, le professeur Yang a déclaré : « Une implication immédiate de nos découvertes est que les noyaux instables se trouvant à la limite de la stabilité peuvent présenter des structures exotiques qui sont distinctes des images conventionnelles de particules uniques ou de modèles de coques, ce qui appelle à l’amélioration des systèmes nucléaires. théories structurelles.

« De plus, alors que le noyau est essentiellement constitué de nucléons fermioniques (protons et neutrons), nos résultats montrent que la structure de cet état 02+ est néanmoins bosonique – un état d’amas analogue au BEC – composé de deux amas de dineutrons et d’un amas alpha. « 

Étoiles à neutrons et pulsars

L’état 02+ observé de 8He a des implications au-delà de la physique nucléaire et quantique. Cela revêt une importance profonde pour notre compréhension des phénomènes astrophysiques, en particulier du processus de refroidissement des étoiles à neutrons et des pépins des pulsars.

Le Dr Yang a élucidé le lien potentiel entre l’état 02+ et les étoiles à neutrons. La structure d’amas observée, semblable à un condensat, correspond à l’apparition suggérée d’une superfluidité neutronique à l’intérieur des étoiles à neutrons. Ce phénomène s’apparente à la condensation de paires d’électrons de Cooper dans les supraconducteurs.

« Bien que nous ne puissions pas visiter une véritable étoile à neutrons pour acquérir sa matière dense riche en neutrons, ses propriétés peuvent être déduites d’expériences avec des noyaux finis en laboratoire. »

« L’état 02+, caractérisé par sa configuration d’amas unique, offre des informations précieuses sur la formation d’un état de condensation de paires de neutrons. Surtout, il pourrait s’agir d’un état précurseur d’un condensat macroscopique de paires de neutrons dans des systèmes riches en neutrons, y compris les systèmes riches en neutrons. étoiles », a-t-il expliqué.

Ce lien entre la physique nucléaire et l’astrophysique améliore non seulement notre compréhension des structures nucléaires exotiques, mais contribue également à percer les mystères des phénomènes cosmiques, mettant en lumière l’interaction complexe entre le monde microscopique des noyaux et les domaines macroscopiques des étoiles à neutrons et des pulsars.

En envisageant la voie à suivre, les chercheurs prévoient d’étendre les mesures à d’autres noyaux riches en neutrons situés autour de la ligne d’égouttement des neutrons (la limite d’existence sur la carte nucléaire).

« Nous sommes particulièrement intéressés par la façon dont la structure des amas de type condensat évolue avec davantage d’amas de dineutrons. L’exploration de systèmes constitués uniquement de neutrons, comme les tétraneutrons et les hexaneutrons, ajoute de l’intrigue. »

« La production et l’identification de tels états sont un défi, mais la construction d’installations mondiales de faisceaux d’ions radioactifs et de nouveaux systèmes de détection offre de bonnes opportunités », a conclu le professeur Ye.

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