Une percée inédite dans la compréhension de la matière
Pour la toute première fois, des physiciens ont réussi à élaborer un modèle capable d’expliquer les origines des noyaux magiques, ces structures atomiques inhabituellement stables. Cette avancée repose directement sur l’analyse des interactions entre leurs protons et leurs neutrons. Les résultats de cette étude marquante ont été publiés dans la prestigieuse revue scientifique Physical Review Letters.
Cette recherche offre des perspectives nouvelles pour la communauté scientifique. Elle pourrait permettre de mieux appréhender les propriétés exotiques des noyaux atomiques lourds. De plus, elle éclaire d’un jour nouveau les forces fondamentales qui assurent la cohésion de la matière au niveau le plus intime.
Le travail accompli ici ne se contente pas d’observer des phénomènes déjà connus, mais propose une explication structurelle inédite. En décryptant ces mécanismes, les chercheurs ouvrent la voie à une compréhension plus fine de l’univers atomique et de ses règles de stabilité.
La quête de l’équilibre : isotopes et instabilité
Il est fondamental de rappeler que chaque élément chimique est défini par un nombre fixe de protons présents dans son noyau atomique. En revanche, le nombre de neutrons que ce noyau contient est beaucoup moins contraint. Pour la quasi-totalité des éléments connus, il existe au moins deux configurations nucléaires différentes, appelées isotopes, qui ne varient que par leur quantité de neutrons.
Cependant, cet agencement n’est pas sans limites. Si le nombre de protons et de neutrons devient trop déséquilibré, que ce soit dans un sens ou dans l’autre, le noyau devient instable. Les éléments les plus lourds ayant tendance à posséder moins d’isotopes stables, ces noyaux radioactifs se font de plus en plus rares à mesure que ce déséquilibre s’accentue.
Malgré cette règle générale, il existe des exceptions notables. Pour certains nombres spécifiques de protons et de neutrons, que l’on désigne collectivement sous le terme de « nucléons », on observe des isotopes exceptionnellement stables. Ces configurations particulières, dont les raisons profondes ont longtemps échappé aux physiciens, sont celles qui régissent les fameux noyaux magiques.
Les limites du modèle en couches face à la force nucléaire
Ces isotopes particulièrement robustes, qualifiés de « noyaux magiques », sont traditionnellement décrits par le modèle en couches nucléaires. Ce cadre théorique fonctionne de manière similaire au modèle des couches électroniques utilisé en physique atomique. Il considère que les nucléons occupent des niveaux d’énergie discrets, où les transitions entre niveaux s’accompagnent d’une absorption ou d’une émission d’énergie.
Bien que ce modèle ait rencontré un franc succès pour prédire quelles combinaisons de protons et de neutrons engendrent des noyaux magiques, il ne reflète pas totalement la physique sous-jacente des véritables noyaux atomiques. Il présente une lacune majeure dans sa capacité à rendre compte explicitement de la réalité des forces en jeu.
En particulier, ce modèle peine à intégrer l’interaction nucléaire forte. Il s’agit pourtant de l’interaction puissante et à courte portée qui lie les nucléons entre eux. C’est cette force qui permet aux protons, chargés positivement, de coexister au sein du même noyau sans se repousser mutuellement et s’éparpiller. Parvenir à capturer cette force tout en expliquant l’origine des nombres magiques a longtemps constitué un défi majeur pour les théoriciens du nucléaire.
Une approche quantique repensée par l’équipe de Chenrong Ding
Pour surmonter ces obstacles théoriques, des chercheurs dirigés par Chenrong Ding, de l’Université Sun Yat-sen, ont abordé le problème sous un angle différent. Ils ont revisité un principe fondamental de la mécanique quantique : l’état d’un système ne peut être observé sans être altéré. En conséquence, les physiciens décrivent les systèmes quantiques à l’aide de fonctions d’onde, qui encodent l’éventail des états possibles qu’un système peut occuper ainsi que la probabilité de chacun.
Dans les noyaux atomiques, ni les niveaux d’énergie des nucléons individuels, ni les interactions détaillées entre paires de nucléons ne peuvent être observés directement. Ces caractéristiques doivent être capturées collectivement.
L’équipe a donc utilisé une fonction d’onde décrivant le noyau dans son intégralité. Cette approche globale permet d’inclure les interactions fortes entre paires, et même entre trios, de nucléons, offrant ainsi une vision plus fidèle de la réalité physique interne du noyau.
Le test décisif sur l’isotope Étain-132
Pour tester la validité de leur approche, Chenrong Ding et ses collègues se sont concentrés sur un cas précis : l’étain-132. Il s’agit d’un isotope particulièrement stable qui contient exactement 50 protons et 82 neutrons. Ce choix n’est pas anodin, car il représente un exemple parfait de ces structures magiques que la science tente de décrypter.
Lorsqu’ils ont examiné la fonction d’onde de ce noyau à une résolution inférieure, en mettant l’accent sur le comportement collectif de ses nucléons en interaction, une découverte majeure a émergé. Le motif familier des niveaux d’énergie du modèle en couches est apparu naturellement, découlant directement des interactions sous-jacentes entre protons et neutrons.
Le résultat est sans appel : tout comme le prédit le modèle en couches classique, les nombres magiques de protons et de neutrons sont restés inchangés dans cette nouvelle modélisation. Cela confirme que la structure en couches émerge bien des forces fondamentales, sans avoir besoin d’être postulée a priori.
Vers une réconciliation des modèles théoriques
Les résultats obtenus par l’équipe comblent pour la première fois un fossé qui existait depuis longtemps entre deux approches majeures de la théorie nucléaire. D’un côté, les modèles phénoménologiques qui décrivent avec succès le comportement nucléaire ; de l’autre, les méthodes dites « ab initio » (ou de premiers principes) qui visent à dériver ce comportement à partir des forces fondamentales.
En s’appuyant sur ce succès, Chenrong Ding et ses collaborateurs nourrissent de grands espoirs pour la suite de leurs travaux. Ils espèrent que leur cadre théorique permettra aux physiciens d’explorer les zones encore mal comprises du tableau nucléaire.
L’objectif ultime est de faire la lumière sur les propriétés encore énigmatiques des noyaux les plus lourds et les plus exotiques. Cette avancée pourrait transformer notre compréhension de la matière dans ses états les plus extrêmes.
Selon la source : phys.org
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Un mystère de la physique nucléaire enfin résolu : l’origine des nombres magiques
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