Les tailles et les formes des noyaux de plus de 100 protons étaient jusqu'à présent inaccessibles expérimentalement. La spectroscopie laser est une technique établie pour mesurer les propriétés fondamentales des atomes exotiques et de leurs noyaux. Pour la première fois, cette technique a maintenant été étendue pour mesurer avec précision l'excitation optique des niveaux atomiques dans la couche atomique de trois isotopes de l'élément lourd nobélium, qui contiennent 102 protons dans leur noyau et ne se produisent pas naturellement. Cela a été rapporté par une équipe internationale de scientifiques du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM), TU Darmstadt, KU Leuven en Belgique, l'Université de Liverpool au Royaume-Uni et TRIUMF à Vancouver, Canada. Des noyaux d'éléments lourds peuvent être produits à des quantités infimes de quelques atomes par seconde dans des réactions de fusion utilisant de puissants accélérateurs de particules. Les résultats obtenus sont bien décrits par des modèles nucléaires, ce qui suggère que les noyaux ont une structure en forme de bulle avec une densité plus faible en leur centre qu'à leur surface. Les résultats ont été publiés dans un article récent de Lettres d'examen physique .

Les atomes sont constitués d'un noyau chargé positivement entouré d'une couche électronique. Les électrons internes pénètrent dans le volume du noyau et donc les énergies au niveau atomique sont influencées par la taille et la forme du noyau atomique. Une différence de taille de deux noyaux atomiques différents résultant, par exemple, à partir d'un nombre différent de neutrons entraîne un léger décalage des niveaux d'énergie électronique. Des mesures précises de ces énergies sont possibles à l'aide de la lumière laser. Les déplacements d'énergie sont tracés en faisant varier la fréquence et, par conséquent, la couleur de la lumière requise pour exciter les électrons à des niveaux d'énergie plus élevés. Jusque là, cette méthode ne pouvait être appliquée qu'aux isotopes d'éléments plus légers qui sont produits à des taux de production plus élevés et dont la structure atomique était déjà connue à partir d'expériences avec des isotopes abondants à longue durée de vie ou stables. Noyaux d'éléments au-dessus du fermium (Fm, Z=100) peut être produit à des quantités infimes de quelques atomes par seconde dans les réactions de fusion et n'existent généralement que pendant quelques secondes au plus. Par conséquent, leur structure atomique n'était jusqu'à présent pas accessible avec les méthodes de spectroscopie laser.

Dans les expériences en cours, les isotopes du nobélium ont été produits par fusion d'ions calcium avec du plomb au niveau du filtre de vitesse SHIP dans l'accélérateur de GSI. Pour activer la spectroscopie laser, les atomes de nobélium à haute énergie ont été arrêtés dans du gaz argon. Les résultats sont basés sur une expérience précédente également menée au GSI, explorer les transitions atomiques du nobélium (No). L'élément chimique de numéro atomique 102 a été découvert il y a environ 60 ans. L'expérience récente a étudié les isotopes No-254, No-253, et No-252, qui diffèrent par le nombre de neutrons constitutifs de leur noyau, avec spectroscopie laser. Les débits disponibles pour l'expérience ont atteint des valeurs inférieures à un ion par seconde pour l'isotope No-252.

A partir des mesures de la fréquence d'excitation pour les isotopes individuels, le changement de couleur de la lumière laser requise a été déterminé pour les No-252 et No-254. Pour le n°-253, la fragmentation de la raie en plusieurs composantes hyperfines induite par le seul neutron impair non apparié a également été résolue. Les tailles et les formes des noyaux atomiques ont été déduites à partir de calculs théoriques de la structure atomique du nobélium, qui ont été menées en collaboration avec des scientifiques du Helmholtz Institute Jena en Allemagne, l'Université de Groningue aux Pays-Bas, et l'Université de Nouvelle-Galles du Sud à Sydney, Australie. Les résultats confirment que les isotopes du nobélium ne sont pas sphériques mais sont déformés comme un ballon de football américain. Le changement de taille mesuré est cohérent avec les calculs du modèle nucléaire effectués par des scientifiques du GSI et de la Michigan State University aux États-Unis. Ces calculs prédisent que les noyaux étudiés présentent une densité de charge plus faible en leur centre qu'à leur surface.

Grâce à ces études pionnières, d'autres nucléides lourds seront accessibles pour les techniques de spectroscopie laser, permettant une étude systématique des changements de taille et de forme dans la région des noyaux lourds. Ces expériences ne sont pour l'instant possibles qu'au GSI et permettent une compréhension approfondie et unique de la structure atomique et nucléaire des éléments les plus lourds. Les résultats jouent également un rôle pour la future installation FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), qui est actuellement en construction chez GSI. Les mêmes techniques et méthodes pourraient également être employées dans la branche à basse énergie du séparateur de super fragments de FAIR.