Des scientifiques du RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Research et des collaborateurs ont utilisé l'accélérateur d'ions lourds du centre, l'usine de poutres RI, pour démontrer que le nickel-78, un isotope « doublement magique » riche en neutrons du nickel avec 28 protons et 50 neutrons, conserve toujours une forme sphérique qui le rend relativement stable malgré le grand déséquilibre du nombre de protons et de neutrons. Ils ont également découvert une surprise :les observations de l'expérience suggèrent que le nickel-78 pourrait être le noyau le plus léger avec 50 neutrons à avoir une nature magique. Des isotones plus légers, c'est-à-dire des noyaux avec le même nombre de neutrons mais un nombre différent de protons, seraient inévitablement déformés, malgré le nombre magique de neutrons.

Saisir la validité des nombres magiques dans les noyaux extrêmement riches en neutrons est crucial pour comprendre pourquoi notre univers a le mélange de noyaux que nous voyons aujourd'hui. Les éléments plus lourds que le fer ne sont pas synthétisés dans la combustion normale des étoiles, mais sont principalement créés par deux processus connus sous le nom de processus s et processus r, qui impliquent des noyaux capturant des neutrons supplémentaires. Le r-processus, dans laquelle les neutrons sont rapidement absorbés, est particulièrement important car il est responsable de la création de certains noyaux riches en neutrons. Pendant le processus, les noyaux accumulent des neutrons jusqu'à ce qu'ils atteignent un état dans lequel ils ne peuvent plus les accepter - cet état est appelé point d'attente - puis subissent un processus appelé désintégration bêta, dans lequel ils perdent un neutron mais gagnent un proton, leur permettant de commencer à accepter de nouveaux neutrons. Le r-processus, qui représente environ la moitié de la production de noyaux plus lourds que le fer, ne peut avoir lieu que dans des environnements extraordinairement riches en neutrons tels que des explosions de supernova et des fusions d'étoiles à neutrons comme celle qui a été observée en 2017.

La localisation précise de ces "points d'attente" n'est pas bien comprise, toutefois. Pour compliquer le processus, les nombres magiques de protons ou de neutrons, équivalents à l'idée de couches d'électrons fermées en chimie, rendent les noyaux plus résistants à la capture d'autres neutrons. Un nombre magique bien connu est 50 neutrons, mais on ne sait pas si ce nombre est conservé pour les noyaux extrêmement riches en neutrons.

Pour obtenir une réponse, le groupe a décidé d'expérimenter avec le nickel-78, un isotope doublement magique qui n'est devenu accessible à l'expérimentation que récemment grâce à de puissants accélérateurs comme la RI Beam Factory au Japon, celui utilisé dans cette étude. Pour réaliser l'expérience, Publié dans La nature , les chercheurs ont combiné les observations du détecteur MINOS exploité par le CEA en France et du détecteur DALI2 exploité par RIKEN, tous deux situés dans le complexe RIBF. Ils ont généré un faisceau d'uranium-238 et l'ont utilisé pour bombarder une cible de béryllium, forçant l'uranium à se fissionner en isotopes tels que le cuivre-79 et le zinc-80, qui contiennent tous deux 50 neutrons.

Ces deux faisceaux ont ensuite été envoyés pour toucher une cible d'hydrogène, produisant parfois du nickel-78, l'objet de la recherche.

À l'aide de détecteurs de rayons gamma, le groupe a démontré que le nickel-78 est relativement stable, comme prévu par les calculs, conservant une forme sphérique plutôt que déformée. Ryo Taniuchi de l'Université de Tokyo et du RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science déclare :« Nous étions heureux de pouvoir montrer expérimentalement que le nickel-78 conserve la forme sphérique que les calculs avaient prédite. Nous avons été surpris, cependant, découvrir que le noyau a aussi une forme concurrente, qui n'est pas sphérique, et que toute isotone plus légère que celle que nous avons utilisée serait sujette à cette déformation et ne conserverait pas sa nature magique."

Pieter Doornenbal du Centre Nishina dit :"C'est une découverte importante, car cela nous donne de nouvelles informations sur la façon dont les nombres magiques apparaissent et disparaissent dans le paysage nucléaire et affectent le processus de nucléosynthèse qui a conduit à l'abondance d'isotopes que nous voyons dans l'univers aujourd'hui. Nous avons l'intention de faire d'autres expériences avec des isotones encore plus légers avec 50 neutrons pour démontrer expérimentalement cette découverte. »