Une combinaison sans précédent de physique nucléaire expérimentale et de techniques de modélisation théoriques et informatiques a été réunie pour révéler toute l'étendue de l'échelonnement des formes impaires-pairs des isotopes exotiques du mercure, et explique comment ça se passe. Le résultat, d'une équipe internationale de l'installation de physique nucléaire ISOLDE au CERN1, publié aujourd'hui dans Physique de la nature , démontre et explique un phénomène unique aux isotopes du mercure où la forme des noyaux atomiques se déplace de façon spectaculaire entre un ballon de football et de rugby.

Les isotopes sont des formes d'un élément qui contiennent le même nombre de protons dans leur noyau mais un nombre différent de neutrons. Les propriétés de différents isotopes peuvent être exploitées de diverses manières, notamment la datation archéologique et historique (carbone 14) et le diagnostic médical. Les isotopes stables ont un rapport optimal de protons aux neutrons. Cependant, lorsque le nombre de neutrons diminue ou augmente, des modifications structurelles du noyau sont nécessaires et l'isotope devient généralement instable. Cela signifie qu'il se transformera spontanément en un isotope stable d'un autre élément par désintégration radioactive. Les isotopes avec des rapports neutron/proton extrêmes sont généralement de très courte durée, ce qui les rend difficiles à produire et à étudier en laboratoire. ISOLDE est le seul endroit au monde qui peut étudier une telle gamme d'isotopes exotiques.

L'une des premières expériences dans l'installation ISOLDE a observé pour la première fois une forme nucléaire spectaculaire dans la chaîne des isotopes du mercure. Ce résultat vieux de plus de 40 ans a montré que bien que la plupart des isotopes avec des nombres de neutrons compris entre 96 et 136 aient des noyaux sphériques, ceux avec 101, 103 et 105 neutrons ont des noyaux fortement allongés, la forme des ballons de rugby. Cette découverte est restée l'un des résultats phares d'ISOLDE, mais c'était si dramatique que c'était difficile à croire.

Dans ce nouveau résultat, l'équipe expérimentale a utilisé la spectroscopie à ionisation laser, techniques de spectrométrie de masse et de spectroscopie nucléaire pour examiner de plus près comment, pourquoi et quand ces transitions de phase quantiques ont lieu. Non seulement l'équipe a reproduit les résultats de l'expérience historique (observation des isotopes jusqu'à Mercure 181), en produisant et en étudiant quatre isotopes exotiques supplémentaires (177-180), il a également découvert le point auquel le décalage de forme cesse et les isotopes du mercure reviennent à un comportement isotopique normal. Plusieurs théories avaient tenté de décrire ce qui se passait, mais aucun n'a été en mesure de fournir une explication complète.

"En raison de l'extrême difficulté de produire de tels noyaux exotiques, ainsi que le défi informatique de la modélisation d'un système aussi complexe, les raisons de ce phénomène de décalage de forme sont restées floues, " explique Bruce Marsh.  " C'est seulement maintenant, avec les nouveaux développements de la source d'ions laser à ionisation par résonance (RILIS) d'ISOLDE, et en s'associant à d'autres équipes ISOLDE, que nous avons pu examiner la structure nucléaire de ces isotopes."

Ces observations expérimentales étaient en elles-mêmes exceptionnelles, mais la collaboration a voulu conclure l'histoire en expliquant théoriquement l'effet de renversement de forme. En utilisant l'un des supercalculateurs les plus puissants au monde, les théoriciens japonais ont effectué les calculs de modèle de coque nucléaire les plus ambitieux à ce jour.

Ces calculs ont identifié les composants microscopiques qui entraînent le changement de forme; Plus précisément, que quatre protons sont excités au-delà d'un niveau prédit par les attentes quant au comportement des autres isotopes stables du paysage nucléaire. Ces quatre protons se combinent avec huit neutrons, ce qui entraîne le passage à la forme nucléaire allongée. En réalité, les deux formes nucléaires sont possibles pour chaque isotope du mercure, selon qu'il est à l'état fondamental ou excité, mais la plupart ont un noyau en forme de football dans leur état fondamental. La surprise est que la nature choisit la forme allongée du ballon de rugby comme état fondamental pour trois des isotopes.

" L'ingéniosité et l'innovation sont des caractéristiques de la communauté ISOLDE et la génération et la mesure de la suite d'isotopes du mercure en est un exemple particulièrement beau, " a déclaré Eckhard Elsen, Directeur de la recherche et de l'informatique du CERN. "Je suis encore plus impressionné que l'explication théorique du comportement déroutant à l'aide de la modélisation par superordinateur ait été fournie en même temps."