Figure 1. Image conceptuelle des états condensés alpha. Les cercles rouges et bleus représentent les protons et les neutrons, respectivement. Crédit :Université d'Osaka
Des scientifiques du Département de physique et du Centre de recherche en physique nucléaire (RCNP) de l'Université d'Osaka, en collaboration avec l'Université de Kyoto, utilisé la diffusion inélastique des particules alpha pour montrer que l'« état condensé 5α » théorique existe bel et bien dans le néon-20. Ces travaux pourraient nous aider à mieux comprendre les systèmes à N corps de nucléons de faible densité.
Tous les éléments en dehors de l'hydrogène et de l'hélium doivent avoir été fusionnés à l'intérieur du four nucléaire d'une étoile. Le rendement lors de ces réactions de carbone-12, qui a six protons et six neutrons, est augmenté d'une bizarrerie inhabituelle dans la mesure où 12 est divisible par 4. Cela signifie qu'avec un peu d'énergie supplémentaire, les nucléons dans le carbone peuvent former trois particules alpha, composé de deux protons et de deux neutrons chacun, et ces particules alpha peuvent être condensées dans l'orbite la plus basse énergie du carbone-12. L'existence d'un état alpha condensé dans les isotopes plus lourds avec des poids atomiques divisibles par quatre, comme le néon-20, a été théorisé, mais restait incertain. Ces états condensés offriraient une fenêtre unique sur le monde de la physique nucléaire. C'est parce que les densités de la plupart des noyaux normaux sont très similaires les unes aux autres, tandis que l'état condensé alpha serait un exemple de système à plusieurs corps à faible densité. Mesurer les propriétés des protons et des neutrons dans un tel état dilué serait très utile pour comprendre la nature de la matière nucléaire de faible densité qui existe à la surface des étoiles à neutrons.
Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par l'Université d'Osaka a fourni des preuves expérimentales que ces états excités existent dans le néon-20. En tirant des particules alpha sur un gaz néon, ils ont observé que les produits de désintégration indiquaient l'existence d'états d'énergie spécifiques dans le noyau d'origine. Ceux-ci correspondaient très bien aux prédictions de l'état condensé 5α, dans laquelle les 10 protons et 10 neutrons sont regroupés en cinq particules alpha sur l'orbite de plus basse énergie.
Figure 2. Comparaison de la probabilité d'une certaine désintégration alpha du noyau 20Ne à partir de l'expérience et du calcul théorique. Nous avons observé trois pics qui ne pouvaient pas être expliqués par le calcul du modèle de décroissance statistique. Crédit :Université d'Osaka
"Nous avons pu obtenir des résultats aussi précis parce que nous avons pu mesurer les particules de désintégration à partir de l'état excité, ", explique le premier auteur Satoshi Adachi. "Nous avons développé un système cible de gaz néon-20 enrichi en isotopes avec une fenêtre d'étanchéité au gaz ultra-mince en SiNx. Nous avons découvert qu'il était crucial de mesurer les particules alpha diffusées de manière inélastique à des angles très avancés, y compris 0 degré, où l'état condensé alpha était excité sélectivement. Cette mesure était très difficile, mais un faisceau de haute qualité fourni par les cyclotrons bien réglés du RCNP nous a permis de le réaliser. » Ces techniques ont permis aux scientifiques d'effectuer une comparaison détaillée entre les calculs du modèle de désintégration statistique et l'expérience.
"Nous nous attendons à ce que cette recherche accélère les progrès dans notre compréhension des environnements extrêmes, comme la surface d'une étoile à neutrons, ", explique l'auteur principal Takahiro Kawabata. Le travail peut également être étendu à des isotopes encore plus lourds qui suivent le modèle "divisible par quatre".
