Des observations récentes de la structure interne de l'isotope rare ruthénium-88 apportent un nouvel éclairage sur la structure interne des noyaux atomiques, une percée qui pourrait également conduire à de nouvelles informations sur la formation de certains éléments chimiques de la nature et de leurs isotopes.

Dirigé par Bo Cederwall, Professeur de physique nucléaire expérimentale au KTH Royal Institute of Technology, une équipe de recherche internationale a identifié de nouveaux états rotationnels dans les pays extrêmement déficients en neutrons, déformé, noyau atomique ⁸⁸ Ru. Les résultats suggèrent que la structure de ce système nucléaire exotique est fortement influencée par la présence de paires neutron-proton fortement couplées.

"Une telle structure est fondamentalement différente des conditions normales observées dans les noyaux atomiques, où les neutrons et les protons interagissent par paires dans des systèmes séparés, former un état quasi-superfluide, " dit Cederwall.

Les résultats peuvent également suggérer des explications alternatives sur la façon dont la production de différents éléments chimiques, et en particulier leurs isotopes les plus pauvres en neutrons, se déroule dans les réactions de nucléosynthèse dans certains environnements stellaires tels que les binaires géantes étoile-rouge à neutrons, il dit.

La découverte, qui a été publié le 12 février dans la revue, Lettres d'examen physique , résultats d'une expérimentation au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), La France, à l'aide de l'Advanced Gamma Tracking Array (AGATA).

Les chercheurs ont utilisé des collisions nucléaires pour créer des noyaux atomiques très instables avec un nombre égal de neutrons et de protons. Leur structure a été étudiée à l'aide d'instruments sensibles, dont AGATA, détecter le rayonnement qu'ils émettent sous forme de photons de haute énergie, neutrons, protons et autres particules.

Selon le modèle standard de la physique des particules décrivant les particules élémentaires et leurs interactions, il existe deux types généraux de particules dans la nature; bosons et fermions, qui ont des spins entiers et demi-entiers, respectivement. Des exemples de fermions sont des particules fondamentales comme l'électron et le neutrino électronique mais aussi des particules composites comme le proton et le neutron et leurs éléments constitutifs fondamentaux, les quarks. Des exemples de bosons sont les porteurs de force fondamentaux; le photon, les bosons vecteurs intermédiaires, les gluons et le graviton.

Les propriétés d'un système de particules diffèrent considérablement selon qu'il est à base de fermions ou de bosons. En raison du principe de Pauli de la mécanique quantique, dans un système de fermions (comme un noyau atomique), une seule particule peut maintenir un certain état quantique à un certain point dans l'espace et le temps. Pour que plusieurs fermions apparaissent ensemble, au moins une propriété de chaque fermion, comme sa rotation, doit être différent. À basse température, les systèmes de nombreux fermions peuvent présenter des condensats de particules appariées se manifestant par une superfluidité pour les particules non chargées (par exemple, le superfluide 3He), et supraconductivité pour les particules chargées, tels que les électrons dans un supraconducteur en dessous de la température critique. Bosons, d'autre part, peut se condenser individuellement avec un nombre illimité de particules dans le même état, condensats dits de Bose-Einstein.

Dans la plupart des noyaux atomiques proches de la ligne de stabilité bêta et dans leur état fondamental, ou excité à une énergie pas trop élevée au-dessus d'elle, la structure de base semble être basée sur des condensats corrélés par paires de particules avec le même nombre quantique d'isospin mais avec des spins opposés. Cela signifie que les neutrons et les protons sont appariés séparément les uns des autres. Ces corrélations de paires d'isovecteurs donnent lieu à des propriétés similaires à la superfluidité et à la supraconductivité. Dans les noyaux déformés, cette structure se révèle par exemple sous forme de discontinuités dans la fréquence de rotation lorsque l'énergie d'excitation rotationnelle du noyau est augmentée.

De telles discontinuités, qui ont déjà été découverts au début des années 1970 par le professeur émérite KTH Arne Johnson, ont été étiquetés "backbending". La fréquence de flexion arrière est une mesure de l'énergie nécessaire pour casser une paire de neutrons ou de protons et reflète donc également l'énergie libérée par la formation d'une paire de nucléons dans le noyau. Il existe des prédictions théoriques de longue date avec lesquelles les systèmes de paires neutron-proton peuvent être mélangés, voire remplacer, les corrélations de paires d'isovecteurs standard dans les noyaux atomiques exotiques avec un nombre égal de protons et de neutrons. La structure nucléaire résultant de la composante isoscalaire de telles corrélations de paires est différente de celle trouvée dans les noyaux atomiques "ordinaires" proches de la stabilité. Parmi les différentes observables expérimentales possibles, la fréquence de flexion arrière dans les noyaux déformés devrait augmenter de manière significative par rapport aux noyaux avec différents nombres de neutrons et de protons.

Le groupe de recherche KTH a déjà observé des preuves de fortes corrélations neutron-proton dans le noyau nucléaire sphérique 92Pd, qui a été publié dans la revue La nature . L'isotope du ruthénium ⁸⁸ Ru, avec 44 neutrons et 44 protons, est déformé et présente une structure de type rotation qui a maintenant été observée jusqu'à un spin plus élevé, ou fréquence de rotation, qu'auparavant possible. La nouvelle mesure fournit un angle différent sur les corrélations de paires nucléaires par rapport aux travaux précédents. En confirmant les prédictions théoriques d'un déplacement vers une fréquence de backbending plus élevée, il fournit des preuves complémentaires de l'apparition de fortes corrélations de paires isoscalaires dans les systèmes nucléaires les plus lourds avec un nombre égal de neutrons et de protons.