Ce n'est pas souvent en physique nucléaire que l'on peut clairement comprendre les deux côtés de l'histoire, mais une expérience récente a permis aux chercheurs de faire exactement cela. Ils ont comparé des noyaux très similaires les uns aux autres pour avoir une vision plus claire de l'arrangement des composants des noyaux et ont découvert qu'il y avait encore plus à apprendre sur le cœur de la matière. La recherche, réalisée au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du ministère de l'Énergie, a été récemment publié en tant que lecture suggérée par les éditeurs dans Lettres d'examen physique .

"Nous voulons étudier la structure nucléaire, qui est essentiellement la façon dont les protons et les neutrons se comportent à l'intérieur d'un noyau, " explique Reynier Cruz-Torres, un chercheur postdoctoral au Lawrence Berkeley National Lab du DOE qui a travaillé sur l'expérience en tant qu'étudiant diplômé au Massachusetts Institute of Technology. "Pour faire ça, nous pouvons mesurer n'importe quel noyau que nous voulons. Mais pour faire un test de haute précision de la théorie nucléaire, nous sommes limités aux noyaux légers qui ont des calculs de précision. La mesure de ces noyaux légers est une référence pour comprendre la structure nucléaire en général."

Pour cette mesure, les chercheurs se sont concentrés sur deux des noyaux les plus simples et les plus légers de l'univers :l'hélium et l'hydrogène. Ils se sont concentrés sur un isotope de l'hélium appelé hélium-3, ainsi appelé parce qu'il ne contient que trois composants principaux :deux protons et un neutron. L'isotope de l'hydrogène qu'ils ont testé, tritium, est également composé de trois composants :un proton et deux neutrons.

"Ce sont des noyaux miroirs. Alors, vous pouvez supposer que les protons dans l'hélium-3 sont fondamentalement les mêmes que les neutrons dans le tritium et vice versa, " dit Florian Hauenstein, un chercheur postdoctoral conjoint à l'Université Old Dominion et au MIT.

Selon les chercheurs, en comparant ces noyaux relativement simples, ils peuvent avoir une fenêtre sur les interactions nucléaires fortes qui ne peuvent être reproduites ailleurs. C'est parce que certains des noyaux les plus légers et les moins compliqués de l'univers, ces noyaux sont d'excellents exemples de comparaison avec les théories de pointe qui décrivent les structures de base de différents noyaux.

"Les calculs théoriques sont là depuis un moment, mais nous ne savions pas à quel point ils sont bons, " explique Dien Nguyen, chercheur postdoctoral au MIT et nouveau boursier Nathan Isgur en expérience nucléaire au Jefferson Lab. "Donc, avec cette recherche, nous sommes capables de dire quantitativement à quel point le calcul est bon. Je pense que c'est une étape vraiment importante."

Pour faire la comparaison, les chercheurs ont mesuré les deux noyaux dans des expériences de haute précision dans l'installation d'accélérateur de faisceau électronique continu (CEBAF), une installation d'utilisateurs du DOE basée au Jefferson Lab.

Les électrons du CEBAF étaient dirigés vers les noyaux de tritium et d'hélium-3, où certains interagissaient avec les protons des noyaux. Les protons frappés et les électrons en interaction ont ensuite été capturés et mesurés dans de grands détecteurs appelés spectromètres dans le hall expérimental A du Jefferson Lab.

"Nous utilisons les spectromètres pour étudier les propriétés de ces particules à l'état final et regarder en arrière vers le noyau et essayer de comprendre ce qui se passait à l'intérieur du noyau avant que la réaction n'ait lieu, ", dit Cruz-Torres.

Cette expérience était stimulante et révolutionnaire dans la mesure où elle a été menée à une plus large gamme d'énergies avec une précision sans précédent. En outre, les données sur le tritium sont les toutes premières pour ceux qui étudient ces réactions.

Les chercheurs ont ensuite comparé l'ensemble des données issues des expériences aux calculs théoriques sur les structures des noyaux d'hélium-3 et de tritium. Ils ont constaté que les données correspondaient généralement bien à la théorie pour les deux noyaux à la précision permise par l'expérience, un exploit qui a été décrit par un chercheur comme un triomphe de la physique nucléaire moderne. Cependant, des différences ont également été observées par rapport à certains des calculs, indiquant que des améliorations supplémentaires dans les traitements théoriques sont nécessaires.

"Nous nous attendions à ce que les calculs d'hélium-3 à la fin correspondent facilement aux données, mais il s'est avéré que la section efficace du tritium correspondait très bien au calcul théorique, et l'hélium-3 pas tellement sur toute la gamme. Donc, nous devons revenir en arrière et regarder l'hélium-3, " explique Hauenstein.

Dien confirme que ce résultat inattendu est maintenant l'impulsion pour continuer ces études de haute précision sur les noyaux légers.

"Avant, nous pensions avoir une très bonne compréhension des calculs, " dit Nguyen. " Mais maintenant, le résultat est ce qui nous pousse à faire une mesure encore plus détaillée, parce que nous voulons nous assurer que nous avons un bon accord avec la théorie."