Dans le laboratoire européen de particules CERN, les physiciens produisent des noyaux atomiques super exotiques. En étudiant ces zones inexplorées sur la « carte principale » sont explorées, où les soi-disant noyaux magiques servent de points d'ancrage.
Image :Le laboratoire Isolde au CERN. © CERN
Jusqu'en 2018, le prix Nobel de physique n'avait été décerné qu'à deux femmes. Marie Curie l'a reçu en 1903 pour ses recherches sur les éléments radioactifs. L'Allemande Maria Goeppert-Mayer a reçu le prix en 1963. Bien qu'elle soit beaucoup moins connue, elle a également apporté une contribution cruciale à la physique nucléaire. Et à notre compréhension de la structure subatomique de la matière.
Avec son modèle de coque nucléaire, Goeppert-Mayer a formé la base de la carte des nucléides, l'équivalent nucléaire de la table de Mendeleïev. Au lieu des éléments chimiques, cette «carte nucléaire» montre les noyaux atomiques. Cela le rend beaucoup plus étendu que le tableau de Mendeleïev :il existe plusieurs isotopes de chaque élément avec un nombre différent de neutrons dans le noyau.
Dès 1949, Goeppert-Mayer introduisit un concept resté inchangé à ce jour, à savoir celui des « nombres magiques ». Ces nombres déterminent si un noyau atomique est extra stable et donc moins radioactif. Elle a pu en identifier sept :2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126.
C'est en faveur du lauréat du prix Nobel de 1963 que cette séquence de sept nombres magiques est toujours là aujourd'hui
Si le nombre de protons ou de neutrons est égal à l'un de ces nombres, un noyau est dit magique. Si les nombres de protons et de neutrons sont magiques, alors un noyau est appelé "double magie". L'exemple classique est l'hélium-4 très stable, qui a deux protons et deux neutrons. Un noyau exotique à double magie est le nickel-78, avec 50 protons et 28 neutrons. Le nickel-78 est donc légèrement plus stable que les noyaux à proximité immédiate sur la carte centrale.
«Notre compréhension du noyau atomique est encore largement basée sur ces noyaux magiques», déclare le physicien nucléaire Thomas Cocolios (KU Leuven). "Dans les noyaux magiques ou doublement magiques, les protons et les neutrons s'emboîtent si bien que les noyaux deviennent extrêmement stables, de sorte que vous pouvez les voir comme des points d'ancrage dans le vaste océan de la carte nucléaire." la série de sept nombres magiques est toujours valable aujourd'hui . Cela alors que la physique nucléaire et certainement la physique des particules ont connu un développement orageux durant la seconde moitié du siècle dernier.
Ces dernières années, les nombres magiques ont de nouveau attiré beaucoup d'attention. C'est parce que les physiciens s'améliorent de plus en plus dans la production de noyaux atomiques exotiques à durée de vie extrêmement courte. Celle-ci se déroule au CERN à Genève, entre autres, dans l'une des plus anciennes installations de travail du laboratoire européen des particules :le laboratoire Isolde.
Des faisceaux de particules instables ont été créés ici depuis les années 1960. Les particules produites sont ionisées et accélérées, puis triées selon leurs propriétés et enfermées dans un « piège » pendant un certain temps. Les paquets de noyaux atomiques sont ensuite envoyés le long de montages expérimentaux, afin que les chercheurs puissent étudier en détail les propriétés de combinaisons très inhabituelles de protons et de neutrons.
'Les meilleurs modèles de noyau ne semblent pas fonctionner pour ce type de noyau exotique' le physicien nucléaire Thomas Cocolios (KU Leuven)
L'année dernière, des physiciens de la KU Leuven affiliés à Isolde ont pu démontrer que les nombres magiques sont également vrais pour les noyaux atomiques superexotiques - par exemple, avec le nickel-78. Et récemment, ils ont fait quelque chose de similaire pour tout le concept des nombres magiques. Une équipe internationale de physiciens, dont Thomas Cocolios, a balayé les affirmations précédentes selon lesquelles un nouveau nombre magique supplémentaire, 32, existerait.
Cette affirmation avait fait surface à plusieurs reprises au cours des deux dernières décennies. Cela s'est produit dans des expériences au cours desquelles l'énergie de liaison de noyaux spécifiques a soudainement augmenté à 32 neutrons - une énergie de liaison plus élevée indique une stabilité plus élevée. Le nouveau nombre magique 32 a été "découvert" dans des noyaux de calcium exotiques.
Mais dans le laboratoire d'Isolde, Cocolios et ses collègues n'ont trouvé aucune indication que les noyaux de calcium à 32 neutrons soient également de plus petite taille. Cependant, c'est une caractéristique essentielle d'un noyau magique.
"Ce qui est frappant, c'est que les expériences précédentes n'étaient pas fausses", déclare Cocolios. « Nous avons seulement réfuté les affirmations faites sur la base de ces expériences. A part ça, les résultats sont là.» Le problème réside donc dans la théorie fondamentale du noyau atomique. "Les meilleurs modèles de cœur ne semblent pas fonctionner pour ces types de cœurs exotiques."
La compréhension limitée du noyau atomique découle de la description physique complexe de la soi-disant force nucléaire forte, qui maintient les protons et les neutrons ensemble dans le noyau. 'La force nucléaire forte (l'une des quatre forces fondamentales de la nature, ndlr) n'agit pas directement sur les particules nucléaires, mais sur le niveau inférieur des quarks qui composent les protons et les neutrons.'
Les physiciens théoriciens doivent maintenant travailler pour formuler une meilleure théorie du noyau atomique. En attendant, la théorie de l'enveloppe centrale de Maria Goeppert-Mayer, 72 ans après l'avoir formulée, tient toujours étonnamment bien.
