Systèmes laser au laboratoire du groupe CRIS à ISOLDE, CERN. Crédit :Koszorus et al
La mesure de la taille des noyaux atomiques a parfois été utile pour sonder les aspects de l'interaction nucléon-nucléon et les propriétés globales de la matière nucléaire. Le rayon de charge des noyaux atomiques, qui peut être extrait par des techniques de spectroscopie laser, est sensible à la fois aux propriétés globales de la matière nucléaire et aux détails particulièrement subtils des interactions entre les protons et les neutrons.
De nombreuses études récentes ont ainsi examiné les propriétés des noyaux présentant des rapports proton/neutron déséquilibrés, appelés noyaux exotiques. Ces noyaux exotiques se sont avérés présenter de nouveaux phénomènes et se sont donc avérés précieux pour tester la théorie nucléaire et améliorer la compréhension actuelle des forces nucléaires.
Entre autres, l'examen de noyaux exotiques peut aider à identifier de nouveaux nombres magiques. Dans ce contexte, le terme « nombres magiques » fait référence au nombre de protons ou de neutrons qui correspondent à des coquilles complètement remplies dans ces noyaux.
Une équipe de recherche dirigée par des physiciens de l'Institut voor Kern-en Stralingsfysica, KU Louvain, en Belgique et par l'Université de Pékin en Chine ont récemment mené une étude sur les isotopes exotiques du potassium avec 32 neutrons, qui était censé être un nombre magique. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , présente des preuves qui remettent en question les théories nucléaires de pointe.
"Le caractère magique d'un nombre de protons ou de neutrons, entre autres, se reflète dans une plus petite taille du noyau magique, par rapport à ses voisins, " Agota Koszorus, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Il existe plusieurs nombres magiques bien connus tels que 2, 8 20 ou 28, cependant dans la région de masse des isotopes de potassium, 32 a été proposé comme nouveau nombre magique de neutrons. Le but de notre expérience était de mesurer le rayon de charge de l'isotope du potassium qui a 33 neutrons et de permettre la comparaison de la taille de la magie proposée N =32 isotope à son briquet (N =31) et plus lourd ( N =33) voisins."
L'identification de nouveaux nombres magiques a été l'objectif clé de nombreuses études récentes sur les structures nucléaires. Étudier les isotopes riches en neutrons tels que ceux examinés par Koszorus et ses collègues, cependant, peut être très difficile, pour plusieurs raisons.
Premièrement, ces isotopes ne peuvent être produits que dans des installations de faisceaux d'ions radioactifs comme ISOLDE au CERN. En outre, ils ont généralement des demi-vies très courtes (par exemple, 110 ms de long dans le cas de 52 K). Cela signifie qu'une fois qu'ils sont produits, les chercheurs disposent d'un temps très limité pour les préparer aux mesures et pour les examiner réellement. Dans le cas particulier de 52 K, un défi supplémentaire était la forte contamination isobare du faisceau produit à ISOLDE.
" N =32 est un nouveau nombre magique de neutrons proposé dans la région du Ca basé sur la mesure de la masse nucléaire et 2 + mesure des énergies, " Xiaofei Yang, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Toutefois, cet effet magique n'a pas encore été confirmé à partir des moments nucléaires ou des mesures de rayons en raison des informations expérimentales limitées dans la région de Ca."
Koszorus, Yang et leurs collègues ont été les premiers à étudier les rayons de charge au-dessus N =32 et cela leur a finalement permis de déterminer si "l'effet magique" est apparu dans les rayons nucléaires. Un autre objectif de leur étude était d'étudier les progrès récents réalisés dans le développement de modèles basés sur la théorie nucléaire.
Les changements mesurés expérimentalement dans les rayons de charge quadratiques moyens des isotopes du potassium (carrés blancs) sont comparés aux prédictions de la théorie nucléaire CC (vert et bleu) et DFT (rouge). La boîte grise illustre l'évolution des rayons de charge à travers la magie des neutrons N=28, tandis que la boîte rouge montre que les isotopes N=32 ne présentent pas un comportement similaire. Crédit :Koszorus et al.
"Même si à l'installation ISOLDE, les ions sont sélectionnés en masse avant d'être livrés aux installations expérimentales, il existe un isotope stable du chrome de masse très proche, qui est abondante dans la nature, et dans l'environnement du site de production d'ISOLDE, " expliqua Koszorus. " Cela signifiait que tandis que chaque seconde 200 52 Les isotopes K ont été livrés à notre installation expérimentale, 6 millions d'isotopes Cr stables ont également été livrés, ce qui a entraîné des taux de fond écrasants. Nous avons donc dû modifier notre configuration pour nous appuyer sur la détection des particules bêta émises dans la décroissance radioactive de 52 K. Le Cr stable ne pouvait donc pas contribuer au bruit de fond."
Fait intéressant, Koszorus, Yang et leurs collègues n'ont trouvé aucun signe de comportement magique dans l'évolution de la taille nucléaire de l'isotope de potassium à travers le N =32 nombre de neutrons. Les chercheurs ont également comparé leurs observations aux résultats de calculs basés sur des modèles nucléaires théoriques de pointe, à savoir la méthode de la fonctionnelle de densité d'énergie (DFT) et la théorie des clusters couplés (CC).
"La DFT est une méthode idéale pour les noyaux plus lourds, alors que le modèle CC est plus adapté aux noyaux de masse légère et moyenne, " a déclaré Koszorus. " La région du potassium est un terrain de rencontre incontournable pour tester ces approches simultanément. Les deux méthodes théoriques ont besoin d'informations sur les interactions nucléaires. Dans ce but, Des modèles de structure nucléaire de pointe ont été appliqués :les calculs DFT ont utilisé la fonction de densité d'énergie de Fayans très efficace et les calculs de CC ont utilisé le potentiel chiral ab-initio. »
Les chercheurs ont découvert que les modèles théoriques avaient prédit avec succès les changements dans les rayons de charge quadratiques moyens qu'ils ont observés dans les isotopes en dessous de la N =28 nombre magique. Les modèles qu'ils ont testés se sont révélés utiles pour modéliser des isotopes avec des protons et des neutrons non appariés.
« De la comparaison entre les changements mesurés et prévus des rayons de charge quadratiques moyens, il est clair que les calculs fonctionnent très bien pour prédire la tendance générale en dessous de la N =28 nombre magique, relever avec succès le défi de la modélisation des isotopes avec des protons et des neutrons non appariés, " dit Koszorus. " A y regarder de plus près, cependant, il devient évident que les calculs d'amas couplés ab initio ne permettent pas de prédire la forte augmentation des rayons de charge des isotopes riches en neutrons."
Les chercheurs ont émis l'hypothèse que les problèmes et les incohérences entre les calculs de clusters couplés et leurs mesures pourraient être enracinés dans la nature à plusieurs corps du modèle CC. D'autre part, alors que le modèle Fayans DFT a très bien prédit la tendance générale qu'ils ont observée, il a surestimé la variation entre la taille des isotopes de masse impairs et pairs.
Globalement, ces résultats suggèrent que les théories nucléaires existantes pourraient avoir besoin d'être perfectionnées avant de pouvoir prédire efficacement les nombres magiques dans les isotopes exotiques. En d'autres termes, il semblerait que la compréhension actuelle des propriétés nucléaires et de la structure des isotopes riches en neutrons soit encore très limitée. À l'avenir, les méthodes utilisées par cette équipe de chercheurs pourraient être utilisées pour étudier d'autres isotopes exotiques à courte durée de vie.
"L'histoire des nouveaux nombres magiques émergents autour des isotopes de potassium est loin d'être terminée, et un autre nombre magique a été proposé au neutron numéro 34, " a déclaré Koszorus. " L'étude de ces noyaux nécessite une efficacité expérimentale encore plus élevée puisque les rendements de production sont inférieurs à 100 ions par seconde. Nous travaillons en permanence sur des développements techniques pour améliorer notre dispositif expérimental et bientôt nous serons prêts à repousser les limites des techniques de pointe actuelles et à tester notre compréhension de la structure nucléaire des noyaux isotopiques très riches en neutrons. »
Un objectif clé de nombreuses études de physique nucléaire contemporaines est d'explorer les limites et les propriétés des noyaux atomiques gouvernés par les forces nucléaires, afin de mieux comprendre leur structure. Dans leurs prochaines études, Koszorus, Yang et leurs collègues prévoient également de développer des techniques de spectroscopie laser de plus en plus avancées, car ils pourraient être utilisés pour examiner les noyaux atomiques avec une plus grande précision et collecter des mesures plus fiables.
© 2021 Réseau Science X
