Les noyaux atomiques n'ont que deux ingrédients, protons et neutrons, mais le nombre relatif de ces ingrédients fait une différence radicale dans leurs propriétés. Certaines configurations de protons et de neutrons, avec des "nombres magiques" de protons ou de neutrons disposés en coquilles remplies à l'intérieur du noyau, sont plus fortement liés que les autres. Les noyaux rares à coquilles complètes de protons et de neutrons, qui sont appelés doublement magiques, présentent une énergie de liaison particulièrement améliorée et sont d'excellents cas d'essai pour les études des propriétés nucléaires.

Dans un article qui vient de paraître dans Physique de la nature , Maxime Mougeot du CERN et ses collègues décrivent les calculs théoriques et les résultats expérimentaux de l'installation ISOLDE du CERN qui ont jeté un nouvel éclairage sur l'un des noyaux doublement magiques les plus emblématiques :l'étain-100.

Avec 50 protons et 50 neutrons, l'étain-100 est particulièrement intéressant pour les études des propriétés nucléaires car, en plus d'être doublement magique, c'est le noyau le plus lourd comprenant des protons et des neutrons en nombre égal - une caractéristique qui lui confère l'une des désintégrations bêta les plus fortes, dans lequel un positon (l'antiparticule d'un électron) est émis pour produire un noyau fils.

Les études sur la désintégration bêta de l'étain-100 ont des difficultés à le produire. De plus, les deux études de ce type les plus récentes, à RIKEN au Japon par Lubos et ses collègues et à GSI en Allemagne par Hinke et ses collègues, donner des valeurs différentes pour l'énergie libérée dans la désintégration, résultant en des valeurs discordantes pour la masse d'étain-100.

Les récents développements de l'installation ISOLDE ont permis de produire les noyaux voisins indium-101, indium-100 et indium-99, un simple proton en dessous de l'étain-100. Dans leur nouvelle étude, Mougeot et ses collaborateurs ont utilisé tout l'armement expérimental du dispositif ISOLTRAP de l'installation pour mesurer les masses de ces nouveaux membres de la famille ISOLDE, notamment la masse d'indium-100.

"La masse de l'étain-100 peut être dérivée de celle de l'indium-100 et de l'énergie libérée lors de la désintégration bêta de l'étain-100 en indium-100, " dit Mougeot, "Donc, notre mesure de masse d'indium-100 a attrapé ce noyau emblématique doublement magique par la queue."

La mesure de masse ISOLTRAP de l'indium-100 est quatre-vingt-dix fois plus précise que la précédente, grossissant l'écart dans les valeurs de la masse d'étain-100 déduites des études de désintégration bêta les plus récentes.

Les chercheurs ont ensuite fait des comparaisons entre les masses mesurées des noyaux d'indium et de nouveaux calculs théoriques "ab initio" sophistiqués qui tentent de décrire les noyaux à partir de principes premiers. Ces comparaisons favorisent le résultat de l'énergie de désintégration bêta de Hinke et ses collègues par rapport à celui de Lubos et de ses collègues. De plus, ils montrent un excellent accord entre les mesures et les calculs, donnant aux chercheurs une grande confiance dans le fait que les calculs capturent la physique nucléaire complexe de l'étain-100 et de ses voisins indium.