Dans un noyau atomique, protons et neutrons, collectivement appelés nucléons, sont liés par des forces nucléaires. Ces forces décrivent les interactions entre les nucléons, qui les font occuper des états regroupés en coquilles, où chaque coquille a une énergie différente et peut héberger un certain nombre de nucléons. Un noyau est dit magique lorsque les neutrons ou les protons remplissent exactement leurs enveloppes respectives jusqu'au bord. De tels noyaux magiques sont particulièrement bien liés et ont des propriétés qui les distinguent. En réalité, la variation des propriétés des noyaux avec le nombre de nucléons a conduit à la formulation du célèbre modèle de coque nucléaire il y a quelque 70 ans, avec ses nombres magiques 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126, qui a connu un succès spectaculaire en décrivant de nombreuses propriétés des noyaux stables qui composent le monde qui nous entoure.

Avec l'avènement des installations d'accélérateurs de particules, noyaux à courte durée de vie (appelés isotopes rares) qui ont, par exemple, beaucoup plus de neutrons que de protons, peut être produit et soumis à l'expérimentation. Des études sur de tels noyaux exotiques ont révélé que les nombres magiques ne sont pas aussi immuables qu'on aurait pu s'y attendre des cousins ​​stables de l'isotope rare avec moins de neutrons. De nouveaux nombres magiques ont été trouvés et ceux connus des noyaux stables peuvent être absents pour certains noyaux à courte durée de vie. C'est ce qu'on appelle l'évolution de la coquille.

Sur Terre, ces noyaux exotiques à courte durée de vie n'existent que pour un instant fugace produits dans les installations des accélérateurs. Dans l'univers, cependant, ils se forment constamment en étoiles, par exemple., dans les explosions à la surface des étoiles à neutrons, en supernovae, ou dans les violentes collisions d'étoiles à neutrons. En réalité, les réactions et les désintégrations des isotopes rares déterminent les abondances élémentaires observées dans l'Univers. Si jamais nous voulons comprendre comment est née la matière visible qui nous entoure, nous devons comprendre et pouvoir modéliser les propriétés des noyaux exotiques.

La professeure Alexandra Gade de l'Université d'État du Michigan a collaboré avec des collègues du Japon et de la France à un article de synthèse détaillé dans le prestigieux Examen de la physique moderne journal sur les forces derrière l'évolution observée de la coquille des noyaux exotiques. L'article passe en revue l'état du domaine et relie les observations expérimentales aux avancées théoriques dans la description des isotopes rares.

À l'avenir, des avancées sur les fronts expérimentaux et théoriques sont attendues grâce à de nouveaux laboratoires puissants, tels que l'installation pour les faisceaux d'isotopes rares à MSU, et le calcul haute performance, par exemple. L'impact de la compréhension de l'évolution des coquilles s'étend au-delà de l'astrophysique nucléaire et s'étend à des applications telles que les réacteurs nucléaires, sécurité nucléaire, ou la médecine nucléaire.

Les recherches de Gade sont maintenant financées par une subvention du Département américain de l'énergie Office of Science.