Une équipe du pôle d'excellence PRISMA+ de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence a réussi à calculer le comportement des noyaux atomiques de l'élément Calcium lors de collisions avec des électrons. Les résultats concordent très bien avec les données expérimentales disponibles. Pour la première fois, un calcul basé sur une théorie fondamentale est capable de décrire correctement des expériences pour un noyau aussi lourd que le calcium. Le potentiel que de tels calculs pourraient avoir à l'avenir pour interpréter les expériences sur les neutrinos est particulièrement pertinent. La revue renommée Lettres d'examen physique rend compte du jalon atteint dans son volume actuel.

La nouvelle publication est issue du groupe dirigé par le Prof. Sonia Bacca, Professeur de physique nucléaire théorique dans le pôle d'excellence PRISMA+, en collaboration avec le Laboratoire national d'Oak Ridge. Bacca travaille avec beaucoup de succès à prédire diverses propriétés des noyaux atomiques en les dérivant des interactions entre leurs constituants, les nucléons, qui peuvent être décrites dans le cadre de la théorie chirale des champs effectifs. Ses recherches visent à établir un lien solide entre les observations expérimentales et la théorie sous-jacente de la chromodynamique quantique. En physique, une telle procédure est décrite comme un calcul ab initio.

Également des coupes transversales de noyaux atomiques sondés par des champs externes, par exemple par l'interaction avec des électrons ou d'autres particules, peuvent être décrits dans la même théorie. Cette procédure est essentielle pour expliquer les données existantes et interpréter les expériences futures, par exemple en physique des neutrinos, un axe important du programme de recherche PRISMA+.

Comprendre les neutrinos

Les neutrinos sont des particules insaisissables qui pénètrent constamment notre Terre mais sont très difficiles à détecter et à comprendre. Avec de nouvelles expériences prévues, comme l'expérience DUNE aux États-Unis, les scientifiques veulent étudier leurs propriétés fondamentales, par exemple, le phénomène dans lequel un type de neutrinos se transforme en un autre — appelé dans le jargon technique, oscillation des neutrinos. Pour y parvenir, ils ont besoin d'informations importantes issues de calculs théoriques. Spécifiquement, la question pertinente est :comment les neutrinos interagissent-ils avec les noyaux atomiques dans le détecteur ?

Les données expérimentales sur la diffusion des neutrinos sur les noyaux atomiques étant rares, l'équipe de chercheurs s'est d'abord intéressée à la diffusion d'un autre lepton, l'électron, pour lequel des données expérimentales sont disponibles. "Le calcium 40 est notre système de test, pour ainsi dire, " explique le Dr Joanna Sobczyk, postdoc à Mayence et premier auteur de l'étude. "Avec notre nouvelle méthode ab initio, nous avons pu calculer très précisément ce qui se passe avec la diffusion des électrons et comment se comporte le noyau atomique de calcium."

C'est une belle réussite :jusqu'à présent il n'était pas possible de faire de tels calculs pour un élément aussi lourd que le Calcium, qui se compose de 40 nucléons. "Nous sommes très heureux d'avoir réussi à montrer en gros que notre méthode fonctionne de manière fiable, " dit Sonia Bacca. " Maintenant, une nouvelle ère commence, où les méthodes ab initio peuvent être utilisées pour décrire la diffusion des leptons - ceux-ci incluent les électrons et les neutrinos - sur les noyaux, même pour 40 nucléons."

« L'une des caractéristiques les plus intéressantes de notre approche est qu'elle nous permet de quantifier rigoureusement les incertitudes associées à notre calcul. La quantification des incertitudes est très chronophage, mais extrêmement important pour pouvoir comparer de manière appropriée la théorie à l'expérience, " commente le Dr Bijaya Acharya, Postdoc PRISMA+ et également co-auteur de l'étude.

Après avoir pu montrer le potentiel de leur méthode pour le Calcium, l'équipe de recherche souhaite étudier l'élément Argon et son interaction avec les neutrinos à l'avenir. L'argon jouera un rôle important en tant que cible dans l'expérience DUNE prévue.