Dans le laboratoire européen pour la physique des particules, le CERN, les physiciens produisent des noyaux atomiques super exotiques. L'étude de ces zones inexplorées de la « carte des nucléides » s'appuie sur les noyaux dits magiques, qui servent de points d'ancrage.
Image : Le laboratoire ISOLDE au CERN. © CERN
Jusqu'en 2018, seulement deux femmes avaient reçu le prix Nobel de physique. Marie Curie l'obtint en 1903 pour ses travaux sur les éléments radioactifs. L'Allemande Maria Goeppert-Mayer le reçut en 1963. Bien que moins connue, elle a apporté une contribution cruciale à la physique nucléaire et à notre compréhension de la structure subatomique de la matière.
Son modèle de coquille nucléaire a posé les bases de la carte des nucléides, l'équivalent nucléaire de la table périodique de Mendeleïev. Au lieu des éléments chimiques, cette « carte nucléaire » représente les noyaux atomiques, bien plus étendue car chaque élément possède plusieurs isotopes avec un nombre variable de neutrons.
Dès 1949, Goeppert-Mayer a introduit le concept des « nombres magiques », inchangé à ce jour. Ces nombres déterminent la stabilité accrue d'un noyau, le rendant moins radioactif. Elle en a identifié sept : 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126.
C'est en faveur de la lauréate du Nobel 1963 que cette séquence de sept nombres magiques reste valide aujourd'hui.
Si le nombre de protons ou de neutrons correspond à l'un de ces chiffres, le noyau est dit « magique ». S'il l'est pour les deux, il est « doublement magique ». L'hélium-4, avec 2 protons et 2 neutrons, en est un exemple stable. Un noyau exotique doublement magique est le nickel-78 (28 protons, 50 neutrons), légèrement plus stable que ses voisins sur la carte.
« Notre compréhension du noyau atomique repose encore largement sur ces noyaux magiques », explique le physicien nucléaire Thomas Cocolios (KU Leuven). « Dans les noyaux magiques ou doublement magiques, protons et neutrons s'emboîtent parfaitement, formant des points d'ancrage dans l'océan de la carte des nucléides. » Cette validité perdure malgré les avancées en physique nucléaire et des particules ces dernières décennies.
Ces dernières années, les nombres magiques attirent à nouveau l'attention, grâce aux progrès dans la production de noyaux exotiques à très courte durée de vie. Au CERN, cela se déroule notamment à ISOLDE, l'une des plus anciennes installations du laboratoire.
Depuis les années 1960, des faisceaux de particules instables y sont créés, ionisés, accélérés, triés et piégés pour étude. Les paquets de noyaux sont envoyés vers des montages expérimentaux pour analyser des combinaisons inhabituelles de protons et neutrons.
« Les meilleurs modèles de noyau ne semblent pas fonctionner pour ces noyaux exotiques », note Thomas Cocolios (KU Leuven).
L'an dernier, des physiciens de KU Leuven à ISOLDE ont confirmé les nombres magiques pour des noyaux super exotiques comme le nickel-78. Récemment, une équipe internationale incluant Cocolios a réfuté l'existence d'un nouveau nombre magique, 32.
Cette hypothèse était apparue dans des expériences sur des noyaux de calcium exotiques, où l'énergie de liaison augmentait à 32 neutrons, suggérant plus de stabilité. Mais à ISOLDE, aucune réduction de taille – marque essentielle d'un noyau magique – n'a été observée.
« Les expériences précédentes n'étaient pas erronées, nous avons réfuté les interprétations qui en découlaient », précise Cocolios. Le problème réside dans les modèles théoriques : « Les meilleurs modèles de noyau ne conviennent pas à ces noyaux exotiques. »
Cette compréhension limitée provient de la complexité de la force nucléaire forte, qui lie protons et neutrons via les quarks. Les théoriciens doivent désormais affiner la théorie du noyau atomique. En attendant, le modèle de coquille de Maria Goeppert-Mayer, formulé il y a 72 ans, reste étonnamment robuste.
