Figure 1. Structures d'enveloppe nucléaire pour (à gauche) un potentiel de dépendance radiale (oscillateur harmonique) plus un petit terme de moment angulaire orbital, et (à droite) avec une force de couplage spin-orbite supplémentaire. Crédit :Hooi Jin Ong
Un nombre magique est un nombre de protons ou de neutrons dans le noyau d'un atome qui se traduit par une stabilité beaucoup plus grande que celle des noyaux avec d'autres nombres de protons ou de neutrons.
Les nombres magiques de noyaux sont en partie déterminés par la force de couplage spin-orbite, qui est lié aux spins des protons ou des neutrons dans un noyau. La force de couplage spin-orbite a été introduite par les lauréats du prix Nobel Maria Goeppert Mayer et J. Hans D. Jensen en 1949 pour expliquer les dédoublements des états quantiques des protons ou des neutrons. Son origine réelle de force nucléaire n'est toujours pas entièrement comprise.
Les chercheurs ont identifié que le nombre magique de six est particulièrement important car il devrait permettre d'étudier en profondeur l'origine du couplage spin-orbite. Cependant, l'existence d'une espèce atomique avec un nombre magique de six n'avait pas été confirmée.
Maintenant, une équipe de recherche internationale dirigée par l'Université d'Osaka a changé cette situation en identifiant une espèce de carbone - un élément essentiel à la vie - qui possède un nombre magique de protons de six. Ils ont mené des expériences qui leur ont permis de mesurer les rayons des protons dans les noyaux de différents isotopes du carbone (les isotopes ont le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons dans leurs noyaux). De façon intéressante, les différents isotopes du carbone présentaient des rayons de protons très similaires. Ils ont publié leurs conclusions dans Communication Nature .
Figure 2. Preuve d'un nombre magique de protons de six (indiqué par des flèches bleues) obtenu grâce à une évaluation systématique des données expérimentales. (a) Rayon du proton indépendant de la masse, (b) probabilité de transition électronique, (c) un espace interstitiel de protons, et (d) l'écart entre les couches de protons en fonction des nombres de neutrons et de protons. Crédit :Hooi Jin Ong
"En combinant nos résultats de mesure de rayons avec des rayons de charge nucléaire, taux de transition quadripolaire électrique, et les données de masse atomique nous ont permis d'identifier un isotope du carbone avec un nombre magique prédominant de six", selon le premier auteur de l'étude, Dinh Trong Tran.
Pour aider à comprendre les résultats expérimentaux, les chercheurs ont effectué des calculs informatiques. Les rayons de protons calculés concordaient bien avec les valeurs expérimentales. La division spin-orbite des isotopes du carbone a également été étudiée par l'analyse de données expérimentales et théoriques pour l'énergie permettant d'ajouter ou de retirer un proton du noyau de chaque isotope.
"Notre analyse a clairement démontré que de grandes séparations spin-orbite existent universellement pour les noyaux atomiques, ", explique l'auteur correspondant Hooi Jin Ong. "En outre, le nombre magique de six est aussi important que celui d'autres nombres magiques identifiés."
Figure 3. Illustration de la force de couplage spin-orbite. Les noyaux atomiques gagnent en stabilité lorsque le moment orbital angulaire et le spin d'un proton ou d'un neutron sont dans la même direction. Crédit :Hooi Jin Ong
L'identification du nombre magique de six permet d'étudier l'origine des dédoublements spin-orbite dans les noyaux atomiques. Les découvertes de l'équipe augmentent les connaissances fondamentales de la force spin-orbite, l'origine du nombre magique des noyaux, et la stabilité du noyau, représentant une contribution à une éventuelle compréhension globale de la physique nucléaire.
