Une collaboration internationale comprenant des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) a résolu un casse-tête vieux de 50 ans qui explique pourquoi les désintégrations bêta des noyaux atomiques sont plus lentes que ce qui est attendu sur la base des désintégrations bêta des neutrons libres. .

Les résultats, Publié dans Physique de la nature , combler une lacune de longue date dans la compréhension des physiciens de la désintégration bêta, un processus important que les stars utilisent pour créer des éléments plus lourds, et soulignent la nécessité d'inclure des effets subtils – ou une physique plus réaliste – lors de la prédiction de certains processus nucléaires.

"Depuis des décennies, les scientifiques n'ont pas compris les premiers principes de la désintégration bêta nucléaire, dans lequel les protons se transforment en neutrons, ou vice versa, former d'autres éléments, " a déclaré Gaute Hagen, scientifique de l'ORNL, qui a dirigé l'étude. "Notre équipe a démontré que les modèles théoriques et les calculs ont progressé au point où il est possible de calculer certaines propriétés de désintégration avec suffisamment de précision pour permettre une comparaison directe avec l'expérience."

Résoudre le problème, l'équipe a simulé la désintégration de l'étain-100 en indium-100, un élément voisin du tableau périodique. Les deux éléments partagent le même nombre de nucléons (protons et neutrons), avec l'étain-100 possédant 50 protons à l'indium-100's 49.

Pour calculer précisément la désintégration bêta, l'équipe a non seulement simulé avec précision la structure des noyaux mère et fille, mais a également pris en compte les interactions entre deux nucléons pendant la transition. Ce traitement supplémentaire a présenté un défi informatique extrême en raison de la combinaison de fortes corrélations nucléaires et d'interactions impliquant le nucléon en décomposition.

Autrefois, les physiciens nucléaires ont contourné ce problème en insérant une constante fondamentale pour réconcilier les taux de désintégration bêta observés des neutrons à l'intérieur et à l'extérieur du noyau, une pratique connue sous le nom de "trempe". Mais avec des machines comme le supercalculateur Titan de l'ORNL, L'équipe de Hagen a démontré que cette béquille mathématique n'est plus nécessaire.

"Personne n'a vraiment compris pourquoi ce facteur d'extinction fonctionnait. " a déclaré Gustav Jansen, informaticien de l'ORNL. " Nous avons découvert que cela pouvait s'expliquer en grande partie en incluant deux nucléons dans la désintégration, par exemple, deux protons se désintégrant en un proton et un neutron, ou un proton et un neutron se désintégrant en deux neutrons."

L'équipe, qui comprenait des partenaires du Lawrence Livermore National Laboratory, Université du Tennessee, Université de Washington, TRIUMF (Canada), et Université technique de Darmstadt (Allemagne), a réalisé une étude approfondie des désintégrations bêta des noyaux légers à moyennement lourds jusqu'à l'étain-100.

Cette réalisation donne aux physiciens nucléaires une confiance accrue alors qu'ils cherchent des réponses à certains des mystères les plus déroutants liés à la formation de la matière dans l'univers. Au-delà de la décroissance bêta régulière, les scientifiques cherchent à calculer la double désintégration bêta sans neutrinos, une forme théorique de désintégration nucléaire qui, s'il est observé, explorerait une nouvelle physique importante et aiderait à déterminer la masse du neutrino.

De l'étain à l'intérieur

De nombreux éléments ont des isotopes qui se désintègrent sur de longues périodes de temps. Par exemple, la demi-vie du carbone-14, le noyau utilisé dans la datation au carbone, est 5, 730 ans. D'autres noyaux, cependant, n'existent que pendant quelques fractions de seconde avant d'éjecter des particules pour tenter de se stabiliser.

Dans la désintégration bêta des neutrons, un électron et un anti-neutrino sont émis. Lorsque l'étain-100 se transforme en indium-100, le noyau subit une désintégration bêta-plus, expulser un positron et un neutrino lors de la conversion d'un proton en neutron.

Avec son nombre égal de protons et de neutrons, l'étain-100 présente un taux inhabituellement élevé de désintégration bêta, donner à l'équipe de l'ORNL un signal fort pour vérifier ses résultats. Par ailleurs, le noyau d'étain-100 est "doublement magique, " ce qui signifie que les nucléons remplissent des enveloppes définies à l'intérieur du noyau qui le rendent fortement lié et relativement simple dans sa structure. Le code NUCCOR de l'équipe ORNL, qui est programmé pour résoudre le problème nucléaire à N corps, excelle à décrire des noyaux doublement magiques de haut en bas du tableau nucléaire.

"Un noyau doublement magique comme l'étain-100 n'est pas aussi compliqué que beaucoup d'autres noyaux, " dit Thomas Papenbrock, chercheur à l'Université du Tennessee et à l'ORNL. "Cela signifie que nous pouvons le calculer de manière fiable à l'aide de notre méthode de cluster couplé, qui calcule les propriétés des gros noyaux en tenant compte des forces entre les nucléons individuels."

Pour modéliser la désintégration bêta, cependant, l'équipe a également dû calculer la structure de l'indium-100, un noyau plus complexe que l'étain-100 doublement magique. Cela a nécessité un traitement plus précis des fortes corrélations entre les nucléons. En empruntant des idées à la chimie quantique, qui traite les électrons comme des ondes, L'équipe de Hagen a développé avec succès des techniques pour modéliser ces processus.

"Dans notre cas, nous avons affaire à des nucléons au lieu d'électrons, mais les concepts de la chimie quantique nous ont aidés à sortir de noyaux doublement magiques et à nous développer dans ces régions à coque ouverte, " a déclaré Titus Morris, physicien de l'ORNL.

Expérience de guidage

Maintenant que l'équipe de Hagen a montré que sa compréhension de la désintégration bêta est à la hauteur de l'expérience, il cherche à tirer parti des nouveaux supercalculateurs comme le Summit de l'ORNL, le plus puissant du monde, pour guider les expériences actuelles et futures.

Les chercheurs utilisent actuellement Summit pour simuler comment le calcium-48, un autre noyau doublement magique, subirait une double désintégration bêta sans neutrino - un processus dans lequel deux neutrons bêta se désintègrent en protons, mais sans émettre de neutrinos. Les résultats pourraient aider les expérimentateurs dans la sélection d'un matériau de détecteur optimal pour la découverte potentielle de ce phénomène rare.

"Actuellement, les calculs utilisant différents modèles nucléaires de double désintégration bêta sans neutrinos peuvent différer d'un facteur six, " a déclaré Hagen. "Notre objectif est de fournir une référence pour d'autres modèles et théories."