Dans une tournure des événements surprenante, une équipe internationale de scientifiques a constaté que le lead-208 (208pb), le noyau «doublement magique» le plus lourd connu, présente des caractéristiques de forme inattendues que les modèles nucléaires actuels ne parviennent pas à prédire avec précision.
La magie doublement fait référence aux noyaux qui ont des coquilles complètes des deux protons (82) et des neutrons (126), une configuration qui devrait théoriquement favoriser une forme parfaitement sphérique.
Le Recherche publiée dans Lettres d’examen physique se concentre sur la déformation et le comportement collectif du plomb-208, en particulier les moments quadripolaires spectroscopiques de deux états excités.
Le moment quadrupol spectroscopique mesure combien un noyau s’écarte d’une sphère parfaite, quantifier la distribution de charge dans le noyau.
Phys.org s’est entretenu avec le premier auteur de l’étude, le Dr Jack Henderson de l’Université de Surrey. « Nous avons tiré des faisceaux de germanium, de tellurium, de néodyme et d’erbium dans un feu de plomb », explique le Dr Henderson.
« Lorsque ces particules se dispersent le papier d’aluminium, elles peuvent donner de l’énergie aux noyaux de plomb, les laissant potentiellement dans un état excité. La probabilité que cette excitation se produise dépend de la forme des noyaux, donc en la mesurant soigneusement, nous avons pu déduire la déformation du plomb-208. »
Nombres magiques et formes de noyaux
Semblable à la façon dont les gaz nobles représentent des configurations électroniques stables, les noyaux magiques et doublement magiques entraînent des noyaux stables. Ces «numéros magiques» sont 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126.
Pour les noyaux magiques, le nombre de neutrons ou de protons est égal au nombre magique, tandis que pour les noyaux doublement magiques, les deux sont des nombres magiques.
Cela signifie que les coquilles nucléaires sont remplies, résultant en un noyau plus stable, doublement donc dans le cas de noyaux doublement magiques. Les protons et les neutrons sont appariés et disposés symétriquement, résultant en un noyau plus sphérique.
Le plomb-208, avec 82 protons et 126 neutrons, se trouve à l’intersection de deux nombres magiques, ce qui le rend doublement magique et théoriquement prédisposé à maintenir une forme sphérique.
Le Dr Henderson a expliqué l’importance des chiffres magiques, affirmant que « les chiffres magiques sont incroyablement importants pour comprendre la physique nucléaire, ainsi que pour les propriétés connexes, car ils donnent aux noyaux dans leur voisinage plus d’énergie de liaison. »
« Cela déforme le paysage nucléaire et, par exemple, est la cause des pics en abondance dans la nucléosynthèse d’éléments lourds dans le processus de capture dite des neutrons rapides (le processus R). »
Excitation Coulomb
Bien que l’étude des noyaux doublement magiques ne soit pas nouvelle, les chercheurs ont utilisé un équipement expérimental de pointe pour fournir des mesures plus concluantes, en particulier en ce qui concerne le signe et l’ampleur de la déformation.
Les chercheurs ont utilisé l’excitation de Coulomb, une méthode où les noyaux atomiques sont excités par des interactions électromagnétiques sans impliquer la force forte nucléaire.
« L’excitation Coulomb est exceptionnellement sensible pour déterminer la déformation car elle ne dépend que de la force électromagnétique, que nous avons compris depuis la fin des années 1800 », a expliqué Henderson.
La configuration expérimentale se composait de quatre poutres différentes (germanium, tellurium, néodyme et erbium) dirigés vers une feuille de plomb-208.
Les chercheurs ont utilisé la gamme Gretina de détecteurs de germanium de haute pureté pour mesurer les rayons gamma émis lorsque les noyaux excités reviennent à leur état fondamental, tout en suivant simultanément les particules diffusées avec le réseau de détecteur Chico2.
En particulier, les chercheurs se sont concentrés sur deux états excités pour étudier la déformation, la première excitation quadrupolaire et la première excitation d’octupole.
Les données ont été analysées à l’aide du code d’excitation Coulomb Gosia.
Modèles, impact et travail futur difficile
Les chercheurs ont démontré de manière concluante que les deux états excités qu’ils ont étudiés présentent de grands moments quadripolaires spectroscopiques négatifs, indiquant que le noyau préfère une forme allongée (prolate) plutôt qu’après.
Par rapport aux prédictions de trois approches théoriques différentes – le modèle de coquille nucléaire, la théorie fonctionnelle de la densité et les calculs de Hartree-Fock – aucun ne pouvait reproduire le signe et l’ampleur de la déformation observée.
Le Dr Henderson a abordé l’écart, disant: « Les modèles semblent ne pas reproduire nos observables, et la raison n’est pas entièrement claire. Une possibilité est que les interactions nucléaires utilisées nécessitent du raffinage ou un degré de liberté que nous n’avions pas reconnu comme étant important est manquant. »
Comme mentionné, le plomb-208 joue un rôle crucial dans la compréhension de la formation des éléments lourds dans des événements cosmiques comme les fusions Neutron Star, c’est-à-dire le processus R. Par conséquent, l’impact s’étend des études nucléaires à l’évolution stellaire.
Les chercheurs prévoient de relever ces défis, avec le Dr Henderson, faisant allusion à des travaux futurs, a déclaré: « Une possibilité est que les noyaux voisins, tels que des isotopes plus légers et plus lourds de plomb, pourraient aider à mieux comprendre l’ingrédient manquant dans l’interprétation théorique. »
« Une autre route potentielle est d’améliorer notre compréhension de la façon dont la forme nucléaire vibre en recherchant des états de signature clés, qui ont jusqu’à présent échappé à l’identification concluante. »
Plus d’informations:
J. Henderson et al, Déformation et collectivité en double magie 208pb, Lettres d’examen physique (2025). Doi: 10.1103 / PhysRevlett.134.062502
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