Il y a un peu plus de dix ans, les scientifiques ont poussé les atomes de magnésium vers de nouvelles limites, brouiller des neutrons supplémentaires dans leurs noyaux vers - et peut-être atteindre - la limite maximale pour cet élément.

Maintenant, une équipe internationale dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy a reproduit ce système exotique, connu sous le nom de magnésium-40, et a glané des indices nouveaux et surprenants sur sa structure nucléaire.

"Le magnésium-40 se trouve à une intersection où il y a beaucoup de questions sur ce à quoi il ressemble vraiment, " a déclaré Heather Crawford, membre du personnel scientifique de la Division des sciences nucléaires du Berkeley Lab et auteur principal de cette étude, publié en ligne le 7 février dans le Lettres d'examen physique journal. « C'est une espèce extrêmement exotique.

Alors que le nombre de protons (qui ont une charge électrique positive) dans son noyau atomique définit le numéro atomique d'un élément - où il se trouve sur le tableau périodique - le nombre de neutrons (qui n'ont pas de charge électrique) peut différer. Le type d'atome de magnésium le plus courant et le plus stable trouvé dans la nature a 12 protons, 12 neutrons, et 12 électrons (qui ont une charge négative).

Les atomes d'un même élément avec des comptes de neutrons différents sont appelés isotopes. L'isotope du magnésium-40 (Mg-40) que les chercheurs ont étudié possède 28 neutrons, qui peut être le maximum pour les atomes de magnésium. Pour un élément donné, le nombre maximum de neutrons dans un noyau est appelé "ligne de goutte à goutte de neutrons - si vous essayez d'ajouter un autre neutron alors qu'il est déjà à pleine capacité, le neutron supplémentaire « gouttera » immédiatement hors du noyau.

"C'est extrêmement riche en neutrons, " Crawford a déclaré. " On ne sait pas si Mg-40 est à la ligne de goutte à goutte, mais c'est sûrement très proche. C'est l'un des isotopes les plus lourds que vous puissiez actuellement atteindre expérimentalement près de la ligne de goutte à goutte."

La forme et la structure des noyaux près de la ligne d'égouttement sont particulièrement intéressantes pour les physiciens nucléaires car elles peuvent leur apprendre des choses fondamentales sur le comportement des noyaux aux extrêmes de l'existence.

"La question intéressante dans nos esprits depuis le début, quand tu t'approches si près de la ligne d'égouttement, est :"Est-ce que la façon dont les neutrons et les protons s'arrangent change ?", a déclaré Paul Fallon, scientifique principal de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab et co-auteur de l'étude. "L'un des principaux objectifs du domaine de la physique nucléaire est de comprendre la structure du noyau d'un élément jusqu'à la ligne de goutte à goutte."

Une telle compréhension fondamentale peut éclairer les théories sur les processus explosifs tels que la création d'éléments lourds dans les fusions et explosions d'étoiles, il a dit.

L'étude est basée sur des expériences à l'usine japonaise de faisceaux d'isotopes radioactifs (RIBF), qui est situé au RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science à Wako, Japon. Les chercheurs ont combiné la puissance de trois cyclotrons - un type d'accélérateur de particules développé pour la première fois par le fondateur de Berkeley Lab, Ernest Lawrence en 1931 - pour produire des faisceaux de particules à très haute énergie voyageant à environ 60% de la vitesse de la lumière.

L'équipe de recherche a utilisé un puissant faisceau de calcium-48, qui est un isotope stable du calcium avec un nombre magique de protons (20) et de neutrons (28), frapper un disque rotatif en carbone de plusieurs millimètres d'épaisseur.

Certains des noyaux de calcium-48 se sont écrasés dans les noyaux de carbone, dans certains cas, produisant un isotope de l'aluminium connu sous le nom d'aluminium-41. L'expérience de physique nucléaire a séparé ces atomes d'aluminium-41, qui ont ensuite été canalisés pour frapper une cible en plastique (CH2) de quelques centimètres d'épaisseur. L'impact avec cette cible secondaire a fait tomber un proton de certains des noyaux d'aluminium-41, créer des noyaux Mg-40.

Cette deuxième cible était entourée d'un détecteur de rayons gamma, et les chercheurs ont pu étudier les états excités du Mg-40 sur la base des mesures des rayons gamma émis dans les interactions faisceau-cible.

En plus du Mg-40, les mesures ont également capturé les énergies des états excités dans d'autres isotopes du magnésium, y compris Mg-36 et Mg-38.

"La plupart des modèles ont dit que le Mg-40 devrait ressembler beaucoup aux isotopes plus légers, " Crawford a déclaré. "Mais ce n'est pas le cas. Quand nous voyons quelque chose de très différent, alors le défi est que de nouvelles théories capturent tout cela."

Parce que les théories sont maintenant en désaccord avec ce qui a été vu dans les expériences, de nouveaux calculs sont nécessaires pour expliquer ce qui change dans la structure des noyaux de Mg-40 par rapport au Mg-38 et à d'autres isotopes.

Fallon a déclaré que de nombreux calculs suggèrent que les noyaux de Mg-40 sont très déformés, et éventuellement en forme de ballon de football, ainsi, les deux neutrons ajoutés dans le Mg-40 peuvent bourdonner autour du noyau pour former ce qu'on appelle un noyau de halo plutôt que d'être incorporés dans la forme présentée par les isotopes de magnésium voisins.

"Nous spéculons sur une partie de la physique, mais cela doit être confirmé par des calculs plus détaillés, " il a dit.

Crawford a déclaré que des mesures supplémentaires et des travaux théoriques sur le Mg-40, et que les isotopes proches pourraient aider à identifier positivement la forme du noyau Mg-40, et d'expliquer ce qui cause le changement dans la structure nucléaire.

Les chercheurs ont noté que l'installation de physique nucléaire pour les faisceaux d'isotopes rares, une nouvelle installation d'utilisateurs du DOE Office of Science qui est en cours de construction à l'Université d'État du Michigan, combiné avec le Gamma-Ray Energy Tracking Array (GRETA) en cours de construction au Berkeley Lab, permettra d'étudier plus avant d'autres éléments à proximité du goutte-à-goutte nucléaire.