Les travaux ouvrent la voie à des calculs précis de la structure d'autres noyaux.

Dans une étude qui combine des travaux expérimentaux et des calculs théoriques rendus possibles par des supercalculateurs, les scientifiques ont déterminé la géométrie nucléaire de deux isotopes du bore. Le résultat pourrait aider à ouvrir la voie à des calculs précis de la structure d'autres noyaux que les scientifiques pourraient valider expérimentalement.

Des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), en collaboration avec des scientifiques allemands et polonais, déterminé la différence d'une quantité connue sous le nom de rayon de charge nucléaire entre le bore-10 et le bore-11. Le rayon de charge nucléaire indique la taille d'un noyau atomique, qui a souvent des bords relativement indistincts.

Les rayons de charge nucléaire sont difficiles à calculer avec une grande précision pour des atomes beaucoup plus gros que le bore en raison du grand nombre de neutrons et de protons dont les propriétés et les interactions doivent être dérivées de la mécanique quantique.

La théorie nucléaire s'appuie sur la chromodynamique quantique (QCD), un ensemble de règles physiques qui s'appliquent aux quarks et aux gluons qui composent les protons et les neutrons dans le noyau. Mais essayer de résoudre la dynamique nucléaire en utilisant le QCD seul serait une tâche presque impossible en raison de sa complexité, et les chercheurs doivent s'appuyer sur au moins quelques hypothèses simplificatrices.

Le bore étant relativement léger, avec seulement cinq protons et une poignée de neutrons, l'équipe a réussi à modéliser les deux isotopes du bore sur le supercalculateur Mira et à les étudier expérimentalement à l'aide de la spectroscopie laser. Mira fait partie de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), une installation utilisateur du DOE Office of Science.

"C'est l'un des noyaux atomiques les plus compliqués pour lesquels il est possible d'arriver à ces mesures précises expérimentalement et de les dériver théoriquement, " a déclaré le physicien nucléaire d'Argonne Peter Mueller, qui a aidé à diriger l'étude.

En regardant comment les configurations nucléaires du bore-11 ( ¹¹ B) et le bore-10 ( ^dix B) différaient impliquant des déterminations à des échelles de longueur extraordinairement petites :moins d'un femtomètre - un quadrillionième de mètre. Dans un constat contre-intuitif, les chercheurs ont déterminé que les 11 nucléons du bore-11 occupent en réalité un volume plus petit que les 10 nucléons du bore-10.

Pour examiner expérimentalement les isotopes du bore, des scientifiques de l'Université de Darmstadt ont effectué une spectroscopie laser sur des échantillons d'isotopes, qui émet une fluorescence à différentes fréquences. Alors que la plupart de la différence dans les modèles de fluorescence est causée par la différence de masse entre les isotopes, il y a une composante dans la mesure qui reflète la taille du noyau, a expliqué le physicien d'Argonne Robert Wiringa.

Pour séparer ces composants, des collaborateurs de l'Université de Varsovie et de l'Université Adam Mickiewicz de Poznan ont effectué des calculs de théorie atomique de pointe qui décrivent précisément la danse compliquée des cinq électrons autour du noyau de l'atome de bore.

"Les expériences antérieures de diffusion d'électrons ne pouvaient pas vraiment dire avec certitude laquelle était la plus grande, " a déclaré Wiringa. " En utilisant cette technique de spectroscopie laser, nous sommes en mesure de voir avec certitude comment le neutron supplémentaire se lie plus étroitement au bore-11. "

Le bon accord entre l'expérience et la théorie pour les dimensions du noyau permet aux chercheurs de déterminer d'autres propriétés d'un isotope, comme son taux de décroissance bêta, avec une plus grande confiance. "La capacité à effectuer des calculs et à faire des expériences vont de pair pour valider et renforcer nos résultats, ", a déclaré Mueller.

La prochaine étape de la recherche impliquera probablement l'étude du bore-8, qui est instable et n'a qu'une demi-vie d'environ une seconde avant de se désintégrer. Parce qu'il y a moins de neutrons dans le noyau, il est beaucoup moins étroitement lié que ses voisins stables et on pense qu'il a un rayon de charge étendu, dit Mueller. "Il y a une prédiction, mais seule l'expérience nous dira dans quelle mesure elle modélise réellement ce système vaguement lié, " il expliqua.

Un article basé sur la recherche, " Rayons de charge nucléaire de 10, 11B, " apparaît dans le numéro du 10 mai de Lettres d'examen physique .