La quête des nombres magiques nucléaires
Publié par Redbran le 06/11/2015 à 12:00
Source: CNRS
Une expérience franco-japonaise en quête des nombres magiques nucléaires

Une équipe franco-japonaise impliquant notamment des chercheurs du CEA, du CNRS, de l'Université Paris-Sud et de l'Université de Strasbourg, a conçu une expérience pour étudier des noyaux atomiques parmi les plus instables qui existent. Leurs premiers résultats sont publiés le 3 novembre 2015 dans Physical Review Letters. Les scientifiques avancent ainsi dans la compréhension des manifestations de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) forte, une des quatre forces fondamentales de la nature, qui régit le comportement de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) au sein des noyaux atomiques.

Quatre forces fondamentales régissent notre monde (Le mot monde peut désigner :) visible: la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), l'interaction électromagnétique, l'interaction faible, responsable de la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie...), et l'interaction forte au cœur de la matière. La force nucléaire (La force nucléaire est une force qui s'exerce entre nucléons. Elle est responsable de la liaison des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Cette force peut être comprise en termes d'échange de...), dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend, son argument, change. Plus précisément, une dérivée est une expression (numérique ou...) de l'interaction forte, lie les nucléons (protons et neutrons) entre eux au sein du noyau des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...). Elle est à l'origine de phénomènes quantiques complexes et de la fabrication des atomes, des plus légers aux plus lourds, dans les étoiles.

Certains noyaux, pour des nombres spécifiques de neutrons et protons, sont particulièrement stables par rapport aux autres. Les physiciens parlent alors de 'noyaux magiques'. Ils cherchent à comprendre les mécanismes responsables de cette stabilité relative et une description universelle des noyaux reste un défi pour les théories modernes.


Les physiciens établissent les propriétés spectroscopiques des noyaux existants à l'état naturel ou synthétisés dans des accélérateurs de particules ou des réacteurs nucléaires. L'ensemble des noyaux connus forme la carte ci-dessus où ils sont classés en fonction de leur nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de protons, de neutrons et de la cohésion du noyau. Ce diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé...) forme ce que les physiciens appellent "la vallée (Une vallée est une dépression géographique généralement de forme allongée et façonnée dans le relief par un cours d'eau (vallée fluviale) ou un glacier (vallée glaciaire)....) de la stabilité". © F. Durillon-Animéa/CEA

Un programme d'excellence européen et un accélérateur japonais unique au monde

Pour rechercher des éléments de réponse à ce défi, le système Minos, un instrument scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) a été construit pour effectuer la spectroscopie des noyaux instables, c'est-à-dire mesurer leurs niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Il est opérationnel depuis 2014 auprès de l'accélérateur Radioactive Isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est désigné par le...) Beam Factory (RIBF) de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) japonais Nishina Center de Riken, la machine la plus performante au monde pour produire des noyaux riches en neutrons et observer des noyaux qui n'avaient encore jamais été étudiés.

Lever le mystère des nombres magiques

Au terme de cinq ans de développement technique au CEA et d'analyse de la première campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La campagne est...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de...), l'équipe franco-japonaise vient de publier ses premiers résultats. La toute première expérience a permis d'étudier les noyaux de chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.) et de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau...) les plus riches en neutrons accessibles à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...). Ces mesures sont publiées dans Physical Review Letters et questionnent le caractère magique de N=50 (nombre de neutrons) pour les noyaux riches en neutrons de cette région. Minos va continuer à être utilisé par d'autres expériences et la moisson de résultats ne fait que commencer. En particulier, il contribuera à élucider les mystères des nombres magiques pour les noyaux instables et à améliorer notre compréhension et modélisation du noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite que celle de l'atome (10-10 m) et concentre quasiment toute sa...).

La participation française

Conçu et mis au point (Graphie) par une équipe de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) (CEA Irfu), Minos est financé par le European Research Council (ERC), le programme d'excellence scientifique de l'Union européenne. L'ERC est la première agence de financement pan-européenne pour une "recherche à la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les régions et les époques....) de la connaissance". Initié en 2007, l'ERC constitue un des piliers du programme Horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien d'autres domaines :) 2020.

Les expériences ont été réalisées par les équipes de l'Irfu et de l'Institut de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) d'Orsay (IPNO, CNRS/Université Paris-Sud). Les calculs théoriques ont été réalisés à l'Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Hubert Curien (30 octobre 1924, Cornimont - 6 février 2005, Loury) est un cristallographe français, ministre de la recherche de 1984 à 1986.) (IPHC, CNRS/Université de Strasbourg) et leur interprétation a impliqué l'IPHC et l'Irfu.

A propos du modèle en couches

Dans le noyau, la structure nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) est régie par l'interaction nucléaire entre les nucléons et dépend notamment des nombres de protons et de neutrons. Un modèle de structure nucléaire dit 'en couches' a été mis au point dans les années 40-50, grâce à l'étude des noyaux stables. Dans ce modèle, les nucléons sont rangés sur des niveaux d'énergie bien définis (appelés orbitales) de façon analogue aux orbitales des électrons dans le modèle atomique.

Pour certaines combinaisons de nombres de neutrons et protons, un noyau est particulièrement stable en comparaison de ses voisins lorsque des ensembles d'orbitales (les couches) sont entièrement remplies. Il est alors plus difficile à exciter et on parle dans ce cas de noyaux 'magiques'.

Le modèle en couches traditionnel établi avec les noyaux stables est remis en cause lorsqu'on étudie non plus les noyaux stables mais les noyaux radioactifs, aussi appelés 'noyaux instables'. De fait, les nombres magiques de protons et neutrons ne sont pas les mêmes pour les noyaux stables que pour les noyaux instables.


Pour plus d'information voir :
Extension of the N = 40 Island of Inversion towards N = 50: Spectroscopy of 66Cr, 70,72Fe, C. Santamaria et al., Physical Review Letters, 3 Novembre 2015. volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) 115, eid 192501, doi 10.1103/PhysRevLett.115.192501.
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