Boule courbe quantique : une théorie établie remise en question par un changement surprenant de forme du noyau atomique

Une étude du New Oak Ridge National Laboratory révèle un changement imprévu de la forme du noyau atomique, utilisant les données du FRIB pour explorer l’état excité de longue durée du sodium-32, remettant en question la forme nucléaire et les corrélations énergétiques.

De nouvelles recherches pourraient avoir révélé un changement inattendu dans la forme d’un noyau atomique. Cette découverte surprise pourrait affecter notre compréhension de ce qui maintient les noyaux ensemble, de la manière dont les protons et les neutrons interagissent et de la formation des éléments. L’étude a été dirigée par Timothy Gray du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie.

« Nous avons utilisé des faisceaux radioactifs de noyaux de sodium-32 excités pour tester notre compréhension des formes nucléaires loin de la stabilité et avons trouvé un résultat inattendu qui soulève des questions sur la façon dont les formes nucléaires évoluent », a déclaré Gray, physicien nucléaire. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue ; Lettres d’examen physique.

Les nuances des formes nucléaires

Au fil du temps, les formes et les énergies des noyaux atomiques peuvent changer de configuration. En règle générale, les noyaux vivent comme des entités quantiques ayant des formes sphériques ou déformées. Les premiers ressemblent à des ballons de basket et les seconds à des ballons de football américains.

La relation entre les formes et les niveaux d’énergie est une question ouverte majeure pour la communauté scientifique. Les modèles de structure nucléaire ont du mal à être extrapolés à des régions disposant de peu de données expérimentales.

Pour certains noyaux radioactifs exotiques, les formes prédites par les modèles traditionnels sont à l’opposé de celles observées. Les noyaux radioactifs qui étaient censés être sphériques dans leur état fondamental, ou dans leur configuration la plus basse énergie, se sont révélés déformés.

Les inversions d’états quantiques et leur mystère

Qu’est-ce qui peut bouleverser un État quantique ?

En principe, l’énergie d’un état déformé excité peut chuter en dessous de celle d’un état fondamental sphérique, ce qui fait de la forme sphérique la forme à haute énergie. De manière inattendue, cette inversion de rôle semble se produire pour certains noyaux exotiques lorsque le rapport naturel neutrons/protons devient déséquilibré. Pourtant, les états sphériques excités après inversion n’ont jamais été découverts. C’est comme si une fois que l’état fondamental était déformé, tous les états excités le faisaient aussi.

Il existe de nombreux exemples de noyaux avec des états fondamentaux sphériques et des états excités déformés. De même, de nombreux noyaux ont des états fondamentaux déformés et des états excités ultérieurs qui sont également déformés – parfois avec des degrés ou des types de déformation différents. Cependant, les noyaux présentant à la fois des états fondamentaux déformés et des états excités sphériques sont beaucoup plus insaisissables.

Plonger profondément dans les données

À l’aide des données collectées en 2022 lors de la première expérience de l’Installation pour faisceaux d’isotopes rares, ou FRIB, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE de la Michigan State University, l’équipe de Gray a découvert un état excité à longue durée de vie du sodium-32 radioactif. L’état excité nouvellement observé a une durée de vie inhabituellement longue de 24 microsecondes, soit environ un million de fois plus longue qu’un état excité nucléaire typique.

Les états excités à longue durée de vie sont appelés isomères. Une longue vie indique que quelque chose d’inattendu se produit. Par exemple, si l’état excité est sphérique, une difficulté à revenir à un état fondamental déformé pourrait expliquer sa longue durée de vie.

L’étude a impliqué 66 participants de 20 universités et laboratoires nationaux. Les co-chercheurs principaux venaient du Lawrence Berkeley National Laboratory, Université d’État de Floridel’Université d’État du Mississippi, l’Université du Tennessee, Knoxville et ORNL.

Le FRIB Decay Station Initiator (FDSi) est l’étape initiale de la FRIB Decay Station (FDS). Le FDSi est avant tout un assemblage des meilleurs détecteurs actuellement disponibles dans la communauté au sein d’une infrastructure intégrée pour les études de désintégration FRIB du premier jour, fournissant à terme un moyen aux utilisateurs de FRIB de mener des expériences de spectroscopie de désintégration de classe mondiale avec le meilleur équipement possible et de passer à le FDS sans interruption du programme utilisateur. L’infrastructure FDSi restera intacte au FRIB, prête à recevoir des détecteurs communautaires qui voyageront nominalement. Crédit : ORNL

La configuration expérimentale

L’expérience de 2022 qui a généré les données utilisées pour le résultat de 2023 utilisait l’initiateur FRIB Decay Station, ou FDSi, un système multidétecteur modulaire extrêmement sensible aux signatures de désintégration isotopique rare.

« La combinaison polyvalente de détecteurs du FDSi montre que l’état excité à longue durée de vie du sodium-32 est délivré dans le faisceau FRIB et qu’il se désintègre ensuite en interne en émettant des rayons gamma vers l’état fondamental du même noyau », a déclaré Mitch Allmond de l’ORNL, un co-auteur de l’article qui gère le projet FDSi.

Pour arrêter le faisceau radioactif hautement énergétique du FRIB, qui se déplace à environ 50 % de la vitesse de la lumière, un détecteur d’implantation construit par l’UT Knoxville a été positionné au centre du FDSi. Au nord de la ligne de lumière se trouvait un réseau de détecteurs de rayons gamma appelé DEGAi, comprenant 11 détecteurs de type trèfle au germanium et 15 détecteurs au bromure de lanthane à synchronisation rapide. Au sud de la ligne de lumière se trouvaient 88 modules d’un détecteur appelé NEXTi pour mesurer le temps de vol des neutrons émis lors de la désintégration radioactive.

Un faisceau de noyaux de sodium 32 excités s’est arrêté dans le détecteur et s’est désintégré jusqu’à l’état fondamental déformé en émettant des rayons gamma. L’analyse des spectres de rayons gamma pour discerner la différence de temps entre l’implantation du faisceau et l’émission de rayons gamma a révélé la durée d’existence de l’état excité. L’existence de 24 microsecondes du nouvel isomère était la durée de vie la plus longue observée parmi les isomères avec 20 à 28 neutrons qui se désintègrent par émission de rayons gamma. Environ 1,8 % des noyaux sodium-32 se sont avérés être le nouvel isomère.

« Nous pouvons proposer deux modèles différents qui expliquent également bien les énergies et la durée de vie que nous avons observées dans l’expérience », a déclaré Gray.

Les efforts futurs et la quête de réponses

Une expérience avec une puissance de faisceau plus élevée est nécessaire pour déterminer si l’état excité du sodium 32 est sphérique. Si tel est le cas, alors l’État aurait six unités quantifiées de moment cinétique, qui est une qualité d’un noyau liée à la rotation de son corps entier ou au mouvement orbital de ses protons et/ou neutrons individuels autour du centre de masse. Cependant, si l’état excité du sodium 32 est déformé, alors l’état aurait zéro unité quantifiée de moment cinétique.

Une mise à niveau prévue vers FRIB fournira plus de puissance, augmentant ainsi le nombre de noyaux dans le faisceau. Les données du faisceau le plus intense permettront de réaliser une expérience faisant la distinction entre les deux possibilités.

« Nous caractériserions les corrélations entre les angles de deux rayons gamma émis en cascade », a déclaré Gray. « Les deux possibilités ont des corrélations angulaires très différentes entre les rayons gamma. Si nous disposons de suffisamment de statistiques, nous pourrions démêler le schéma qui révèle une réponse claire.

Le Bureau scientifique du DOE a soutenu le travail.