Les atomes dans un gaz peuvent ressembler à des fêtards dans une rave nanoscopique, avec des particules qui glissent autour, jumelage, et s'envoler à nouveau de manière apparemment aléatoire. Et pourtant, les physiciens ont mis au point des formules qui prédisent ce comportement, même lorsque les atomes sont extrêmement proches les uns des autres et peuvent se tirer les uns sur les autres de manière compliquée.

L'environnement dans le noyau d'un seul atome semble similaire, avec des protons et des neutrons dansant également. Mais parce que le noyau est un espace si compact, les scientifiques ont eu du mal à cerner le comportement de ces particules, connu sous le nom de nucléons, dans le noyau d'un atome. Les modèles qui décrivent les interactions de nucléons éloignés les uns des autres se décomposent lorsque les particules s'apparient et interagissent à courte distance.

Aujourd'hui, une équipe dirigée par le MIT a simulé le comportement des protons et des neutrons dans plusieurs types de noyaux atomiques, en utilisant certains des supercalculateurs les plus puissants au monde. L'équipe a exploré un large éventail de modèles d'interaction nucléaire et a trouvé, étonnamment, que les formules décrivant le comportement des atomes dans un gaz peuvent être généralisées pour prédire comment les protons et les neutrons interagissent à courte distance dans le noyau.

Lorsque les nucléons sont distants de moins d'un femtomètre (1 quadrillionième de mètre), les chercheurs ont trouvé une autre surprise :les particules s'apparient de la même manière, indépendamment du fait qu'ils habitent un petit noyau comme l'hélium ou un noyau plus dense comme le calcium.

"Ces paires à courte portée ne se soucient pas vraiment de leur environnement, qu'elles soient dans une grande fête ou une fête de cinq, peu importe, ils s'associeront de la même manière universelle, " dit Reynier Cruz-Torres, qui a codirigé les travaux en tant qu'étudiant diplômé en physique au MIT.

Ce comportement à courte portée est probablement universel pour tous les types de noyaux atomiques, comme les plus denses, noyaux compliqués dans les atomes radioactifs.

"Les gens ne s'attendaient pas à ce que ce type de modèle capture des noyaux, qui sont parmi les objets les plus compliqués de la physique, " dit Or Hen, professeur assistant de physique au MIT. "Malgré une différence de densité de plus de 20 ordres de grandeur entre un atome et un noyau, nous pouvons encore trouver ce comportement universel et l'appliquer à de nombreux problèmes ouverts en physique nucléaire."

L'équipe a publié ses résultats aujourd'hui dans la revue Physique de la nature . Les co-auteurs du MIT incluent Axel Schmidt, un affilié de recherche au Laboratoire des sciences nucléaires, avec des collaborateurs de l'Université hébraïque, Laboratoires nationaux de Los Alamos et Argonne, et diverses autres institutions.

Paires de fête

Hen cherche à comprendre les interactions désordonnées entre les protons et les neutrons à très courte portée, où la traction et le remorqueur entre les nucléons dans le très petit, l'environnement dense du noyau a été notoirement difficile à cerner. Pendant des années, il s'est demandé si un concept de physique atomique connu sous le nom de formalisme de contact pouvait également s'appliquer à la physique nucléaire et au fonctionnement interne du noyau.

Très largement, le formalisme de contact est une description mathématique générale qui prouve que le comportement des atomes dans un nuage dépend de leur échelle :ceux qui sont éloignés les uns des autres suivent une certaine physique, tandis que les atomes très proches les uns des autres suivent un ensemble de physique entièrement séparé. Chaque groupe d'atomes va sur leurs interactions sans se soucier du comportement de l'autre groupe. Selon le formalisme de contact, par exemple, il y aura toujours un certain nombre de paires ultra proches, quel que soit l'autre, des atomes plus éloignés font dans le nuage.

Hen s'est demandé si le formalisme de contact pouvait aussi décrire les interactions au sein du noyau d'un atome.

"Je pensais qu'il ne se pouvait pas que vous voyiez ce beau formalisme, qui a été une révolution dans la physique atomique, et pourtant nous ne pouvons pas le faire fonctionner pour la physique nucléaire, " dit Hen. "C'était juste trop de connexion."

"A taille humaine"

Les chercheurs ont d'abord fait équipe avec Ronen Weiss et Nir Barnea à l'Université hébraïque, qui a dirigé le développement d'une généralisation théorique du formalisme de contact atomique, pour décrire un système général de particules en interaction. Ils ont ensuite cherché à simuler des particules dans un petit dense, environnement nucléaire, pour voir si des modèles de comportement émergeraient parmi les nucléons à courte portée, d'une manière totalement distincte de celle des nucléons à longue portée telle que prédite par le formalisme de contact généralisé.

Le groupe a simulé des interactions de particules au sein de plusieurs noyaux atomiques légers, allant de trois nucléons dans l'hélium, à 40 en calcium. Pour chaque type de noyau atomique, ils ont exécuté un algorithme d'échantillonnage aléatoire pour générer un film indiquant où chacun des protons et neutrons d'un noyau donné pourrait se trouver au fil du temps.

"A un certain moment, ces particules peuvent être distribuées dans un sens, interagissant entre eux avec un schéma donné, où celui-ci s'apparie avec celui-là, par exemple, et une troisième particule reçoit un coup de pied à la place. Puis, à un autre moment, ils seront répartis différemment, " explique le co-auteur principal Diego Lonardoni, un physicien au Laboratoire national de Los Alamos et à l'Université d'État du Michigan. "Nous répétons donc ces calculs encore et encore pour atteindre l'équilibre."

Pour voir n'importe quelle sorte d'équilibre, ou motif, émerger, l'équipe a dû simuler toute la physique possible entre chaque particule, générer des milliers d'instantanés pour chaque type de noyau. Effectuer ce nombre de calculs prendrait normalement des millions d'heures de temps de traitement.

"Il faudrait à mon ordinateur portable plus que l'âge de l'univers pour finir le calcul, " dit Hen. " Si vous répartissez le calcul entre 10, 000 processeurs, vous pouvez obtenir votre résultat en un temps à l'échelle humaine."

L'équipe a donc utilisé des superordinateurs à Los Alamos et au Laboratoire national d'Argonne - certains des ordinateurs les plus puissants au monde - pour distribuer le travail en parallèle.

Après avoir exécuté les simulations, ils ont tracé une distribution de nucléons pour chaque type de noyau qu'ils ont simulé. Par exemple, pour un noyau d'oxygène, ils ont trouvé un certain pourcentage de nucléons à 1 fermi les uns des autres, et un autre pourcentage légèrement plus proche, etc.

Étonnamment, ils ont trouvé que, pour les nucléons à longue portée, la répartition variait beaucoup d'un type de noyau à l'autre. Mais pour les nucléons à courte portée qui étaient distants de moins d'un femtomètre, les distributions entre les types atomiques étaient exactement les mêmes, peu importe si les nucléons habitaient un noyau d'hélium ultraléger ou un noyau de carbone plus dense. En d'autres termes, les nucléons à courte portée se sont comportés indépendamment de leur environnement à plus grande échelle, similaire à la façon dont le comportement atomique est décrit par le formalisme de contact.

"Notre découverte offre un moyen nouveau et simple de cerner la partie courte distance de la distribution nucléaire qui, avec la théorie existante, permet essentiellement d'obtenir la distribution complète, " dit Hen. " Avec ça, on peut tester la nature du neutrino et calculer les vitesses de refroidissement des étoiles à neutrons, entre autres questions ouvertes."