De nombreux noyaux atomiques ont un champ magnétique similaire à celui de la Terre. Cependant, directement à la surface d'un noyau lourd comme le plomb ou le bismuth, il est des milliards de fois plus forts que le champ de la Terre et plus comparable à celui d'une étoile à neutrons. Que nous comprenions le comportement d'un électron dans des champs aussi forts est toujours une question ouverte.
Une équipe de recherche dirigée par Tu Darmstadt au GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research a maintenant pris une étape importante vers la clarification de cette question. Leurs résultats ont été publiés dans Physique de la nature. Les résultats confirment les prédictions théoriques.
Les ions de type hydrogène, c'est-à-dire les noyaux atomiques auxquels un seul électron est lié, sont théoriquement particulièrement faciles à décrire. Dans le cas de noyaux lourds avec un nombre de protons élevés – le bismuth, par exemple, a 83 protons chargés positivement dans son noyau – la forte attraction électrique lie l'électron près du noyau et donc dans ce champ magnétique extrême. Là, l'électron aligne son propre champ magnétique avec celui du noyau comme une aiguille de boussole.
En fournissant exactement la bonne quantité d'énergie, cette aiguille de boussole peut être retournée dans la direction opposée. C'est précisément ce que les chercheurs ont réalisé. Ils ont pu appliquer la méthode pour la première fois à un isotope radioactif pour lequel il y avait une prédiction théorique particulièrement précise de la quantité d'énergie requise.
L'énergie requise peut être calculée en utilisant l'électrodynamique quantique (QED) – la théorie quantique de l'électromagnétisme. Cependant, une connaissance insuffisante de la structure de ces noyaux atomiques lourds rend les prédictions précises difficiles et a jusqu'à présent empêché un test précis et sans ambiguïté de la théorie.
Les mesures sur l'isotope stable BI-209 étaient récemment cohérentes avec la prédiction théorique. Cependant, il y avait encore des doutes quant à savoir si l'influence de la structure nucléaire sur la prédiction théorique pouvait vraiment être éliminée dans la mesure supposée.
Pour combler cette lacune dans le test expérimental, il a été proposé pour mesurer un autre isotope de bismuth avec une structure nucléaire différente. Malheureusement, Bismuth n'a pas de deuxième isotope stable, donc l'équipe de recherche dirigée par le professeur Wilfried Nörtshäuser a dû recourir à un isotope radioactif. L'isotope BI-208 était un candidat approprié, car il a un neutron de moins que l'isotope stable et présente donc un champ magnétique encore plus fort.
« Le défi initial de cette expérience était de générer et d'isoler l'ion de type hydrogène de l'isotope BI-208 souhaité », explique le Dr Max Horst, auteur principal de l'étude. Pour ce faire, un neutron a été éliminé du BI-209 stable dans une réaction nucléaire et les fragments de cette réaction ont été collectés dans l'anneau de stockage expérimental ESR.
Dans le même temps, tous les 83 électrons initialement sauf un doivent être supprimés de l'atome pour générer le système de type hydrogène. Les fragments tournent dans l'anneau de stockage à environ 72% de la vitesse de la lumière, soit environ 200 000 kilomètres par seconde. Les ions de type hydrogène de l'isotope bi-208 parmi eux ont été identifiés et tous les produits de réaction indésirables ont été éliminés.
« Dans les mesures antérieures de l'isotope stable BI-209, nous avions environ 1 000 fois plus d'ions disponibles », explique Horst, « c'est pourquoi tous les aspects de l'expérience devaient être optimisés en termes d'efficacité et de sensibilité. »
Le principe de mesure est basé sur le retournement du champ magnétique de l'électron en l'irradant avec un faisceau laser de l'énergie correcte. L'ion absorbe une particule élémentaire de lumière – un photon – du faisceau laser. L'énergie du photon est ensuite transférée à l'électron et est utilisée pour retourner son champ magnétique, de sorte que l'état avec l'alignement défavorable dans le champ magnétique nucléaire est atteint.
Pour se débarrasser de cette énergie, l'électron retourne après environ une demi-milliseconde en moyenne, émettant un autre photon. À ce stade, l'ion a déjà encerclé la bague de stockage plusieurs centaines de fois, et ces photons émis sont détectés par des détecteurs sensibles à un endroit particulièrement sombre le long de l'anneau de stockage pour avoir le moins de fond possible.
En raison du petit nombre d'ions présents, il était crucial de prédire très précisément quelle énergie de photons ou longueur d'onde (« couleur ») du laser, le processus devrait avoir lieu. « La recherche d'une grande longueur d'onde à un rythme de signal aussi faible aurait pris beaucoup de temps », explique Nörtershäuser.
Il y a quelques années, il a donc lancé des mesures au Cern Research Center en Suisse sur les atomes neutres des deux isotopes BI, ce qui a permis à l'influence des différentes structures nucléaires. Les physiciens théoriques ont combiné ces informations avec la mesure antérieure de l'ion hydrogène de l'isotope stable pour faire une prédiction très précise de l'énergie de transition dans le BI-208 de type hydrogène.
Cette valeur était d'accord avec un calcul mécanique quantique complet mais était environ 10 fois plus précis. La valeur expérimentale mesurée sur l'anneau de stockage et rapportée dans la nouvelle publication est parfaitement d'accord avec cette prédiction. Le résultat peut désormais être utilisé pour prédire l'influence de la structure nucléaire sur d'autres états de charge de l'isotope BI-208, et la méthode peut être appliquée de manière analogue à d'autres isotopes de bismuth ou d'autres éléments.
