Une découverte d'une équipe de chercheurs dirigée par des physiciens nucléaires d'UMass Lowell pourrait changer la façon dont les atomes sont compris par les scientifiques et aider à expliquer les phénomènes extrêmes dans l'espace.

La percée des chercheurs a révélé qu'une symétrie qui existe au sein du noyau de l'atome n'est pas aussi fondamentale que les scientifiques l'ont cru. La découverte met en lumière les forces à l'œuvre dans le noyau des atomes, ouvrant la porte à une meilleure compréhension de l'univers. Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans La nature , l'une des principales revues scientifiques au monde.

La découverte a été faite lorsque l'équipe dirigée par UMass Lowell travaillait pour déterminer comment les noyaux atomiques sont créés dans les sursauts de rayons X - des explosions qui se produisent à la surface des étoiles à neutrons, qui sont les restes d'étoiles massives en fin de vie.

"Nous étudions ce qui se passe à l'intérieur des noyaux de ces atomes pour mieux comprendre ces phénomènes cosmiques et, finalement, pour répondre à l'une des plus grandes questions de la science :comment les éléments chimiques sont créés dans l'univers, " a déclaré Andrew Rogers, UMass Lowell professeur adjoint de physique, qui dirige l'équipe de recherche.

La recherche est financée par une subvention du département américain de l'Énergie à UMass Lowell et a été menée au National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) de la Michigan State University. Au labo, les scientifiques créent des noyaux atomiques exotiques pour mesurer leurs propriétés afin de comprendre leur rôle en tant que blocs de construction de la matière, le cosmos et de la vie elle-même.

Les atomes sont parmi les plus petites unités de la matière. Chaque atome comprend des électrons en orbite autour d'un petit noyau au plus profond de son noyau, qui contient presque toute sa masse et son énergie. Les noyaux atomiques sont composés de deux particules presque identiques :des protons chargés et des neutrons non chargés. Le nombre de protons dans un noyau détermine à quel élément appartient l'atome dans le tableau périodique et donc sa chimie. Les isotopes d'un élément ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

Au NSCL, les noyaux ont été accélérés à près de la vitesse de la lumière et brisés en fragments créant du strontium-73, un isotope rare qui ne se trouve pas naturellement sur Terre mais qui peut exister pendant de courtes périodes lors de violents sursauts thermonucléaires de rayons X à la surface des étoiles à neutrons . Cet isotope du strontium contient 38 protons et 35 neutrons et ne vit qu'une fraction de seconde.

Travaillant 24 heures sur 24 pendant huit jours, l'équipe a créé plus de 400 noyaux de strontium-73 et les a comparés aux propriétés connues du brome-73, un isotope qui contient 35 protons et 38 neutrons. Avec un nombre interchangé de protons et de neutrons, les noyaux de brome-73 sont considérés comme des « partenaires miroirs » des noyaux de strontium-73. La symétrie miroir dans les noyaux existe en raison des similitudes entre les protons et les neutrons et sous-tend la compréhension des scientifiques de la physique nucléaire.

Toutes les demi-heures environ, les chercheurs ont créé un noyau de strontium-73, l'ont transporté à travers le séparateur d'isotopes du NSCL, puis ont immobilisé le noyau au centre d'un réseau de détecteurs complexe où ils ont pu observer son comportement. En étudiant la désintégration radioactive de ces noyaux, les scientifiques ont découvert que le strontium-73 se comportait de manière totalement différente du brome-73. La découverte soulève de nouvelles questions sur les forces nucléaires, selon Rogers.

"Le strontium-73 et le brome-73 doivent apparaître de structure identique, mais étonnamment, non, nous avons trouvé. Sonder les symétries qui existent dans la nature est un outil très puissant pour les physiciens. Quand les symétries s'effondrent, qui nous dit que quelque chose ne va pas dans notre compréhension, et nous devons regarder de plus près, ", a déclaré Rogers.

Ce que les scientifiques ont vu va remettre en cause la théorie nucléaire, selon Daniel Hoff, un associé de recherche UMass Lowell qui était l'auteur principal de l'article publié dans La nature .

« Comparer les noyaux de strontium-73 et de brome-73, c'était comme se regarder dans un miroir et ne pas se reconnaître. Une fois que nous nous sommes convaincus que ce que nous voyions était réel, nous étions très excités, ", a déclaré Hoff.

Avec Rogers, un résident de Somerville, et Hoff de Medford, l'équipe UMass Lowell comprenait des membres du corps professoral du département de physique, le professeur adjoint Peter Bender, Le professeur émérite C.J. Lister et l'ancien associé de recherche UMass Lowell Chris Morse. Étudiants diplômés en physique Emery Doucet de Mason, N.H., et Sanjanee Waniganeththi de Lowell ont également contribué au projet.

Dans le cadre de l'étude de l'équipe, des calculs théoriques de pointe ont été effectués par Simin Wang, un associé de recherche à l'État du Michigan, et réalisé par Witold Nazarewicz, John A. Hannah, professeur émérite de physique de la MSU et scientifique en chef à la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), qui ouvrira l'année prochaine.

Les travaux des chercheurs "offrent des informations uniques sur la structure des isotopes rares, " a déclaré Nazarewicz. " Mais il reste encore beaucoup à faire. De nouvelles installations en ligne, comme le FRIB à MSU, fournira des indices manquants pour une compréhension plus approfondie du puzzle de la symétrie du miroir. Je suis heureux que les poutres exotiques livrées par notre établissement, une instrumentation et des calculs théoriques uniques pourraient contribuer à ce magnifique travail."

Des plans pour d'autres expériences sont déjà en cours, alors que les chercheurs cherchent à affiner et à confirmer leurs observations et à approfondir l'étude de ces isotopes.