Depuis plus d'une décennie, une équipe interdisciplinaire de chimistes et de physiciens en Arts et Sciences de l'Université de Washington à St. Louis a poursuivi le noyau atomique. Avec des études progressives, ils ont remonté la chaîne d'éléments jusqu'au Calcium-48, un produit solide extrêmement rare qui a plus de neutrons que de protons et, En tant que tel, porte un prix élevé de 100 $, 000 par gramme.

C'est un matériau original, avec cette étude particulière emmenant les chimistes de l'Université de Washington Robert J. Charity et Lee G. Sobotka du laboratoire nucléaire de l'université Duke's Triangle au laboratoire national de Los Alamos (N.M.) du ministère de l'Énergie.

"Si vous le laissez sur une table, il se transforme en poudre, " a déclaré le co-auteur Charity, un enseignant-chercheur de chimie en Arts &Sciences. "Le calcium s'oxyde très rapidement dans l'air. C'était un souci."

Finalement, trois grammes de Ca-48 ont aidé à produire une conclusion à double tranchant pour Charity et co-auteur Willem H. Dickhoff, professeur de physique. Leur équipe a découvert à la fois un cadre pour prédire où les neutrons habiteront un noyau et un moyen de prédire l'épaisseur de la peau d'un noyau.

Dans leur recherche publiée le 29 novembre dans Lettres d'examen physique , ils ont prédit comment les neutrons créeraient une peau épaisse, et que cette peau de Ca-48 — 3,5 femtomètres (fm) de rayon — mesurait 0,249 + 0,023 fm.

Pour convertir cela en centimètres, il mesurerait 2,49×10 ^-14 cm. Les chercheurs affirment que la principale découverte est que la peau est plus épaisse et plus riche en neutrons qu'on ne le croyait auparavant.

"Cela nous relie à l'astrophysique et, en particulier, physique des étoiles à neutrons, " Dickhoff a déclaré à propos des résultats de la recherche. " L'expérience de Los Alamos était essentielle pour l'analyse que nous avons poursuivie. En fin de compte, parce qu'il contient cet ensemble supplémentaire de neutrons, cela nous amène à des informations qui nous aident à clarifier davantage la physique des étoiles à neutrons, où il y a beaucoup plus de neutrons par rapport aux protons.

"Et cela nous donne l'opportunité de prédire où se trouvent les neutrons dans le Ca-48, " Dickhoff a dit. " C'est l'information critique, ce qui conduit à la prédiction de la peau des neutrons."

Par charité, Dickhoff et les co-auteurs Hossein Mahzoon, Doctorat '15, maître de conférences en physique à la Truman State University à Kirksville, Mo., et Mack Atkinson, un doctorant en physique à l'Université de Washington, la chasse continue.

Ils observent avec intérêt que le Ca-48 doit subir le test d'épaisseur de peau le plus propre disponible via l'accélérateur d'électrons du Thomas Jefferson National Accelerator Facility à Newport News, Virginie.

De plus, ils procèdent à la remontée de la chaîne d'éléments des noyaux riches en neutrons jusqu'à ce que Charity a appelé le "noyau célèbre" du plomb-208. Michael Keim, un senior en physique, dirige une étude sur le plomb-208.

"Cela nous donnera une idée expérimentale pour savoir si notre analyse est vraiment prédictive, " Dickhoff a déclaré. "Nous pensons que nous avons un bon argument pourquoi nous pensons qu'il a une peau épaisse. Il existe un grand groupe de personnes… qui prédisent une peau plus petite. Ceci est directement pertinent pour la compréhension de la taille des étoiles à neutrons. La taille d'une étoile à neutrons n'est pas encore claire, son rayon."

La façon dont ils ont effectué leur analyse et atteint ce cadre prédictif fait également partie de leur quête d'une décennie. Leur groupe de chimie-physique souscrit aux « relations de dispersion, " dont Sobotka, qui est professeur de chimie et de physique, expliqué simplement :« C'est ce qui vous dit de ne pas rire avant d'être chatouillé. Cela signifie que la causalité est bien prise en compte.

En bref, ils analysent toutes les énergies simultanément plutôt que de se concentrer sur une seule énergie.

Depuis la première publication ensemble en 2006, ils ont utilisé le modèle optique dispersif (DOM) développé il y a un quart de siècle par Claude Mahauxa, un théoricien nucléaire de Belgique. Ils l'ont développé - à travers les domaines énergétiques et les isotopes - afin qu'ils puissent tenter de prédire où se trouvent les particules nucléaires.

« Il a fallu faire le pas technique pour inclure les sensibilités des particules, » dit Dickhoff. Il utilisa ses mains pour illustrer le centre puis le reste d'un noyau :« S'ils sont ici, ils ont également été influencés par partout ailleurs. Ce que nous appelons « non-localité ». Sans ça, vous ne pouvez pas faire ces prédictions."

Les éléments lourds riches en neutrons se comportent différemment. Cette équipe continue donc de gravir les échelons des poids lourds :Ca-40, Ca-48, Plomb-208. « Jusqu'où peut-on aller le long d'une chaîne isotopique jusqu'à perdre des neutrons ? dit la charité. Cela leur donne de la peau dans le jeu de peau.

« Quand vous mettez des neutrons supplémentaires, ça n'aime pas ça, n'est-ce pas ?" dit Charity à propos du noyau atomique. "Il doit trouver comment s'adapter à ces neutrons supplémentaires. Il peut les mettre uniformément dans tout le noyau. Ou cela pourrait les mettre à la surface. La question est donc :cette force est-elle plus forte dans la région de faible densité du noyau ou plus faible ?"

"Nous savons où sont les protons, " ajouta Dickhoff. " C'est bien établi expérimentalement. Mais vous ne pouvez pas le faire facilement avec des neutrons. Je veux simplement savoir ce qu'est un nucléon, un proton ou un neutron, fait. Comment passe-t-il son temps ? Les nucléons sont plus interactifs :ils font autre chose que de rester tranquillement assis sur leurs orbites. C'est ce que cette méthode peut en quelque sorte nous dire."

Leur cadre DOM non local, en cours de création depuis plus d'une décennie, utilise la modélisation et les calculs informatiques ainsi que l'expérimentation en laboratoire. Il leur permet de « faire une prédiction bien fondée et prise au sérieux, " dit Dickhoff. " Ensuite, nous aurons une mesure pour le plomb-208."