Les scientifiques imaginent généralement que les noyaux atomiques sont des amas plus ou moins sphériques de protons et de neutrons, mais toujours relativement chaotique. Expériences au Laboratoire National d'Argonne, inspiré par les physiciens de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences à Cracovie, essaient de vérifier ce modèle simple. Pour déployer une analogie astronomique, dans la mesure où la majorité des noyaux ont des contours similaires à des objets rocheux comme des lunes ou des astéroïdes, alors les noyaux de plomb-208 dans certaines conditions ressemblent à des planètes entourées d'une atmosphère dense qui peuvent se déplacer autour d'un noyau rigide.

Depuis une dizaine d'années, des physiciens américains et polonais ont étudié les propriétés des noyaux des atomes de plomb 208. Une analyse récemment publiée résumant les expériences menées à l'ANL en utilisant l'accélérateur supraconducteur ATLAS et le détecteur de rayons gamma Gammasphere a produit des conclusions intéressantes. Il s'avère que sous certaines conditions, Nouveau, des états d'énergie relativement stables non prévus par la théorie sont produits dans les noyaux de plomb-208. Quoi de plus, il existe des indications suggérant que de tels noyaux présentent une structure de nature collective non reconnue auparavant.

"Les noyaux atomiques peuvent être excités à une variété d'états d'énergie, y compris ceux dans lesquels ils tournent rapidement. Cependant, tous les noyaux dans de tels états ne doivent pas réellement tourner, " déclare le Pr Rafal Broda (FIJ PAN), le premier auteur de l'article publié dans Examen physique C . "Le noyau de plomb-208 se compose de 82 protons et 126 neutrons et, avec une très bonne approximation, peut être considéré comme sphérique. Lorsque nous utilisons des équations de la mécanique quantique pour décrire des noyaux de cette forme, discuter de la rotation du noyau devient insensé - les positions dans les différentes phases de la rotation sont indiscernables, il n'y a donc pas de changement d'énergie. Par conséquent, on suppose que les noyaux sphériques ne tournent pas, et la taille physique liée au spin - le spin du noyau - est entièrement dérivée de plusieurs nucléons couplés se déplaçant autour de leurs orbites. Pendant ce temps, nos recherches montrent que dans les noyaux de plomb-208, une large gamme de valeurs de spin est observée, jusqu'aux états à spin élevé, une séquence d'états qui peuvent être interprétés comme liés au spin collectif. Le $64, 000 questions, alors, c'est 'Qu'est-ce qui tourne dans un tel noyau ?'"

En physique moderne, la structure des atomes entiers est décrite à l'aide d'un modèle de coque. Cela suppose que les électrons, portant une charge électrique négative, se déplacer à des distances considérables autour d'une charge positive, noyau pratiquement ponctué. Cependant, la probabilité de trouver un électron n'est élevée que dans certaines zones, où l'énergie des électrons prend des valeurs strictement définies. Le noyau de l'atome est donc entouré d'une structure spatiale formée d'un nombre plus ou moins grand d'enveloppes énergétiques. Chaque coque a une certaine capacité maximale, et si le nombre d'électrons dépasse cette capacité, les électrons en excès doivent passer à la couche suivante, plus loin du noyau.

Lorsque la couche électronique la plus externe se remplit d'électrons, l'atome est réticent à réagir avec d'autres atomes ou molécules. En chimie, ces éléments sont appelés gaz rares en raison de leur stabilité particulière et de leur manque d'activité chimique.

Les noyaux atomiques sont des objets beaucoup plus complexes que les atomes traités comme une charge positive ponctuée entourée d'un groupe d'électrons distants. Nucléons, ou les protons et neutrons qui composent le noyau, ont des masses des milliers de fois supérieures à celles de l'électron, et en plus, toutes les particules sont proches les unes des autres et entrent dans de nombreuses interactions nucléaires et électromagnétiques. Par conséquent, ce fut une grande surprise pour les physiciens de découvrir que le modèle de coque fonctionne également pour les noyaux atomiques. Cependant, la situation ici est plus intéressante, parce que les neutrons et les protons forment leurs propres coquilles dans les noyaux, qui sont particulièrement stables pour les nombres de nucléons appelés nombres magiques. Les physiciens appellent les noyaux avec des coquilles de protons et de neutrons complètement remplies doublement magiques. Le plomb-208 est unique dans ce groupe car il s'agit du noyau doublement magique le plus massif.

Les propriétés des noyaux de plomb-208 dans les états à faible spin sont assez bien connues, mais en ce qui concerne les états à spin élevé, ce n'était pas le cas jusqu'à récemment. Les noyaux atomiques dans de tels états sont produits par le processus de fusion ayant lieu lors de collisions qui se produisent lorsqu'une cible constituée d'un matériau convenablement sélectionné est bombardée de particules assorties. Malheureusement, il n'existe aucune combinaison particule-cible capable de produire des noyaux de plomb-208 dans des états de spin élevé. C'est pourquoi pendant trois décennies, le groupe de Cracovie dirigé par le professeur Broda a travaillé sur l'utilisation des collisions inélastiques profondes pour étudier les noyaux inaccessibles dans les processus de fusion. Dans les collisions de ce genre, les noyaux de bombardement interagissent avec les noyaux cibles, mais ne fusionnez pas avec eux.

"Dans un état de spin élevé - l'effet d'une collision inélastique profonde - le noyau est excité et essaie de revenir à l'état d'énergie le plus bas. Il se débarrasse de son excès en plusieurs à quelques dizaines d'étapes, chacun émettant un rayonnement gamma avec une énergie caractéristique pour sa transition. En analysant les énergies de ce rayonnement, nous sommes en mesure d'obtenir de nombreuses informations sur la structure des noyaux atomiques et les processus qui s'y déroulent, " explique le Dr Lukasz Iskra (FIJ PAN).

La dernière analyse utilise des mesures prises à l'ANL avec le groupe du professeur Robert Janssens. Dans ces expériences, des cibles de plomb-208 ou d'uranium-238 ont été bombardées avec des ions de plomb-208, sélénium-82, germanium-76, nickel-64 ou calcium-48. Le rayonnement gamma a été enregistré par un détecteur Gammasphere, composé de 108 détecteurs au germanium de haute qualité (cet instrument spectaculaire peut être vu, entre autres, dans le film Hulk ).

A la surprise des chercheurs, la dernière analyse a permis de détecter des structures et des phénomènes dans les noyaux de plomb-208 qui n'étaient pas prévus par la théorie actuelle. De nombreux nouveaux états d'énergie ont été observés, et trois se sont avérés être des états isomères, et donc beaucoup plus stable que les autres. Dans les états normaux, le noyau se produit pendant des picosecondes, alors que dans l'un des états isomères, le noyau a été détecté jusqu'à 60 nanosecondes (milliardièmes de seconde), c'est-à-dire mille fois plus longtemps.

Les résultats les plus intéressants sont ceux suggérant un spin collectif dans un noyau sphérique, et ne doit donc pas tourner, selon la mécanique quantique. Les chercheurs supposent qu'à des spins élevés, un noyau rigide est formé dans le noyau de plomb-208; la prochaine masse élémentaire la plus élevée est le noyau doublement magique, c'est-à-dire l'étain-132. Il semble que ce noyau ne tourne pas, mais la couche externe formée par les 76 autres nucléons tourne.

"En commençant par certains états à spin élevé, le noyau plomb-208 cesse d'être un objet homogènement rigide, tel que, par exemple, la lune géologiquement presque morte. Une meilleure analogie astronomique serait un corps rocheux avec une atmosphère très dense, mais pas aussi calme que Vénus ou Titan. Cette atmosphère devrait se déplacer rapidement à la surface, donc ça pourrait être comme un ouragan mondial, " explique le professeur Broda. Ce nouveau modèle permettra aux théoriciens d'intégrer d'autres phénomènes et d'augmenter la précision de ses prédictions.