Le noyau atomique offre une occasion unique d'étudier la compétition entre trois des quatre forces fondamentales connues pour exister dans la nature, l'interaction nucléaire forte, l'interaction électromagnétique et l'interaction nucléaire faible. Seule la force gravitationnelle beaucoup plus faible n'est pas pertinente pour la description des propriétés nucléaires. Bien qu'en général la désintégration d'un état nucléaire excité suive la hiérarchie de ces forces, il y a parfois des exceptions.
Dans une expérience récente réalisée à l'usine de faisceaux d'isotopes radioactifs à RIKEN, une collaboration internationale avec des scientifiques de onze pays, dirigé par des scientifiques de l'Instituto de Estructura de la Materia, CSIC (Espagne) et le RIKEN Nishina Center (Japon), fait une observation très surprenante :les rayons gamma de haute énergie - qui sont médiés par la force électromagnétique - sont émis lors de la désintégration d'un certain noyau excité - l'étain 133, en concurrence avec l'émission de neutrons, le mode de désintégration médié par la force nucléaire forte. Ceci malgré le fait que l'émission de neutrons devait être plus rapide de plusieurs ordres de grandeur puisque la force est beaucoup plus forte.
La découverte, Publié dans Lettres d'examen physique , a été fabriqué à l'aide du noyau riche en neutrons 133Sn, qui consiste en un seul neutron couplé au noyau doublement magique 132Sn, un noyau qui est très stable en raison de son statut doublement magique. Les noyaux ont été produits en éliminant un neutron d'un noyau légèrement plus lourd, 134Sn, aux énergies relativistes. Le rayonnement gamma émis lors de la décroissance de ses états excités a été détecté à l'aide du spectromètre gamma DALI2.
Selon Pieter Doornenbal du Centre Nishina, "C'était assez surprenant car nous nous attendions à ce que l'émission de neutrons soit beaucoup plus rapide. Nous pensons que la capacité de la désintégration électromagnétique à concurrencer avec succès l'émission de neutrons est due aux effets de la structure nucléaire, l'un des ingrédients de la règle d'or de Fermi décrivant la probabilité qu'un certain processus de décomposition se produise."
Les résultats du RIBF suggèrent que les effets de structure, qui sont généralement négligés dans l'évaluation des probabilités d'émission de neutrons dans les calculs des propriétés globales de désintégration bêta pour les simulations astrophysiques, sont beaucoup plus importantes qu'on ne le pense généralement, en particulier dans la région "sud-est" de 132Sn, où les noyaux sont très riches en neutrons.
Selon Doornenbal, "L'une des significations de cette découverte est qu'elle pourrait nous aider à mieux comprendre la synthèse nucléaire des éléments de notre Univers - en d'autres termes, comment notre Univers en est venu à avoir les noyaux qu'il possède. On pense que près de la moitié des éléments lourds au-delà du fer sont fabriqués par ce que l'on appelle le processus r, qui se déroule dans les supernovae. L'émission de neutrons est généralement émise à partir de calculs sur la désintégration des noyaux riches en neutrons, car il n'est pas considéré comme jouant un rôle important. Mais nos travaux montrent qu'il faudra peut-être reconsidérer cela, et que notre compréhension de la façon dont les noyaux sont produits par le processus r devra peut-être être révisée."
