Jusque récemment, les scientifiques pensaient que seuls des noyaux très massifs pouvaient avoir excité des états de spin zéro de stabilité accrue avec une forme considérablement déformée. Pendant ce temps, une équipe internationale de chercheurs roumains, La France, Italie, les États-Unis et la Pologne ont montré dans leur dernier article que de tels États existent également dans des noyaux de nickel beaucoup plus légers. La vérification positive du modèle théorique utilisé dans ces expériences permet de décrire les propriétés de noyaux indisponibles dans les laboratoires terrestres.

Plus de 99,9% de la masse d'un atome provient du noyau atomique, dont le volume est plus d'un billion de fois plus petit que le volume de l'atome entier. D'où, le noyau atomique a une densité étonnante d'environ 150 millions de tonnes par centimètre cube. Cela signifie qu'une cuillère à soupe de matière nucléaire pèse presque autant qu'un kilomètre cube d'eau. Malgré leur très petite taille et leur incroyable densité, les noyaux atomiques sont des structures complexes constituées de protons et de neutrons. On peut s'attendre à ce que ces objets extrêmement denses prennent toujours une forme sphérique. En réalité, cependant, la situation est bien différente :la plupart des noyaux sont déformés - ils présentent une forme aplatie ou allongée selon un ou même deux axes, simultanément. Pour trouver la forme préférée d'un noyau donné, il est d'usage de construire un paysage de l'énergie potentielle en fonction de la déformation. On peut visualiser un tel paysage en dessinant une carte sur laquelle les coordonnées planes sont les paramètres de déformation, c'est-à-dire des degrés d'allongement ou d'aplatissement selon les deux axes, tandis que la couleur indique la quantité d'énergie nécessaire pour amener le noyau à une forme donnée. Une telle carte est une analogie complète avec une carte géographique de terrain montagneux.

Si un noyau se forme dans la réaction nucléaire, elle apparaît en un point donné du paysage — elle prend une déformation spécifique. Il commence alors à glisser (changement de déformation) vers le point d'énergie le plus bas (déformation stable). Dans certains cas, cependant, avant d'atteindre l'état fondamental, il peut être arrêté pendant un certain temps dans un minimum local, un piège, ce qui correspond à une déformation métastable. Ceci est très similaire à l'eau qui jaillit à un endroit particulier de la zone de montagne et coule vers le bas. Avant d'atteindre la vallée la plus basse, il peut être piégé dans des dépressions locales pendant un certain temps. Si un ruisseau relie la dépression locale au point le plus bas du paysage, l'eau coulera. Si la dépression est bien isolée, l'eau y restera très longtemps.

Des expériences ont montré que les minima locaux dans le paysage de déformation nucléaire au spin zéro n'existent que dans les noyaux massifs avec des numéros atomiques supérieurs à 89 (actinium) et un nombre total de protons et de neutrons bien supérieur à 200. De tels noyaux peuvent être piégés dans ces minima secondaires à déformation métastable pendant une durée voire des dizaines de millions de fois plus longue que le temps nécessaire pour atteindre l'état fondamental sans être ralenti par le piège. Jusqu'à il y a quelques années, un état excité de spin nul associé à une déformation métastable n'avait jamais été observé parmi les noyaux d'éléments plus légers. La situation a changé il y a quelques années lorsqu'un état de déformation importante caractérisé par une stabilité accrue a été trouvé dans le nickel-66, le noyau avec 28 protons et 38 neutrons. Cette identification a été stimulée par des calculs effectués avec le modèle sophistiqué de coque de Monte Carlo développé par les théoriciens de l'Université de Tokyo, qui a prédit ce piège de déformation.

"Les calculs effectués par nos confrères japonais ont également fourni un autre résultat inattendu, " explique le Pr Bogdan Fornal (FIJ PAN). " Ils ont montré qu'une profonde, une dépression locale (piège) associée à une déformation importante devrait également être présente dans le paysage énergétique potentiel du nickel-64, le noyau avec deux neutrons inférieurs au nickel-66, qui jusqu'à présent était considéré comme n'ayant qu'un seul minimum principal de forme sphérique. Le problème était que dans le nickel-64, la dépression était prédite à une énergie d'excitation élevée - à haute altitude dans l'analogie du terrain montagneux - et il était extrêmement difficile de trouver une méthode expérimentale pour placer le noyau dans ce piège."

Un tour de force a eu lieu impliquant quatre expériences complémentaires, mené conjointement par une collaboration menée par des expérimentateurs roumains (IFIN-HH à Bucarest), France (Institut Laue-Langevin, grenobloise), Italie (Université de Milan), États-Unis (Université de Caroline du Nord et TUNL) et Pologne (IFJ PAN, Cracovie). Les mesures ont été réalisées dans quatre laboratoires différents en Europe et aux USA :Institut Laue-Langevin (Grenoble, La France), Laboratoire IFIN-HH Tandem (Roumanie), Laboratoire national d'Argonne (Chicago, USA) et le Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL, Caroline du Nord, ETATS-UNIS). Différents mécanismes de réaction ont été utilisés, notamment le transfert de protons et de neutrons, capture de neutrons thermiques, Excitation coulombienne et fluorescence par résonance nucléaire, en combinaison avec des techniques de détection de rayons gamma de pointe.

L'ensemble des données a permis d'établir l'existence de deux minima secondaires dans le paysage énergétique potentiel du nickel-64, correspondant à des formes ellipsoïdales aplaties (aplaties) et allongées (allongées), la prolate étant profonde et bien isolée, comme l'indique la transition significativement retardée vers le minimum sphérique principal.

"L'allongement du temps que passe le noyau piégé dans le minimum allongé du noyau Ni-64 n'est pas aussi spectaculaire que celui des noyaux lourds, où il atteint des dizaines de millions de fois. Nous n'avons enregistré l'augmentation que quelques dizaines de fois; pourtant le fait que cette augmentation soit proche de celle apportée par le nouveau modèle théorique, est une grande réussite, " déclare le Pr Fornal.

Un résultat particulièrement précieux de l'étude est l'identification d'une composante jusqu'alors inconsidérée de la force agissant entre les nucléons dans les systèmes nucléaires complexes, le monopôle dit tensoriel, qui est responsable du paysage multiforme de déformation dans les isotopes du nickel. Les scientifiques s'attendent à ce que cette interaction soit en grande partie responsable de la formation de la structure de nombreux noyaux qui n'ont pas encore été découverts.

Dans une perspective plus large, l'enquête présentée indique que l'approche théorique appliquée ici, être capable de prédire de manière adéquate les caractéristiques uniques des noyaux de nickel, a un grand potentiel pour décrire les propriétés de centaines de systèmes nucléaires qui ne sont pas accessibles en laboratoire sur Terre aujourd'hui, mais continuellement produit dans les étoiles.