Des noyaux extrêmes chamboulent la physique

Les découvertes récentes montrent que la définition du noyau atomique et sa structure sont encore plus complexes qu’on ne le pensait.

1 Trop de protons pour l’un, moins stable qu’attendu pour l’autre… Coup sur coup, deux découvertes poussent à reconsidérer ce qu’on pensait connaître du noyau atomique, cette région dense située au cœur de l’atome. D’abord, Robert Charity, de l’université Washington de Saint Louis, et ses collaborateurs ont montré expérimentalement l’existence d’un noyau qui contient 3,5 fois plus de protons que de neutrons, l’azote 9. Ensuite, une équipe menée par Yosuke Kondo, de l’institut de technologie de Tokyo, a observé le noyau d’oxygène 28, qui contient 12 neutrons de plus que l’oxygène stable, et dont la « magicité » a disparu.

2 Avec leur charge électrique positive, les protons tendent à se repousser et déstabiliser le système, là où les neutrons, dénués de charge électrique et grâce à l’interaction forte de leurs quarks, contribuent à sa stabilité. Mais « quel ratio de protons et de neutrons définit la limite de ce que l’on peut encore appeler un “noyau” ? », interroge Marek Płoszajczak, physicien au Ganil, le Grand accélérateur national d’ions lourds, à Caen.

3 Tous les noyaux ne sont pas stables, certains se désintègrent plus ou moins vite. On parle de noyau quand le système a une durée de vie d’au moins 10 ^{– 22} seconde environ. C’est le cas de l’azote 9, avec ses cinq protons « en excès ». « Sa découverte a été une surprise et elle pousse à savoir jusqu’où il est possible d’aller au-delà de la limite de stabilité », anticipe Marek Płoszajczak.

4 Avec la détection de l’oxygène 28, comprenant 8 protons et 20 neutrons, c’est la magicité des noyaux qui doit être repensée. Habituellement, on considère qu’un noyau est magique s’il possède un nombre précis de protons ou de neutrons : 2, 8, 20, 28… Ces nombres correspondent au remplissage par les neutrons et par les protons de couches d’énergie (ou orbitales). Or un noyau avec des couches complètes (et avec de grands écarts d’énergie, ou gaps, par rapport aux couches supérieures) est plus stable qu’un noyau avec des couches partiellement remplies (et de faibles gaps).

5 Puisque l’oxygène 28 remplit ces critères avec 8 protons et 20 neutrons, il devrait être doublement magique. Sa stabilité présumée devrait se traduire avec un temps de vie long (même si on reste ici dans le domaine de la fraction de seconde). Cependant, l’expérience menée par l’équipe de Yosuke Kondo montre le contraire : l’oxygène 28 se désintègre rapidement en oxygène 24.

6 Pour comprendre ce résultat surprenant, il faut partir d’un noyau vraiment doublement magique, le calcium 40, qui est composé de 20 protons et de 20 neutrons, avec des gaps pour les protons (Z = 20) et les neutrons (N = 20) très importants. Pour atteindre l’oxygène 28, il faut retirer 12 protons au calcium 40. Ce faisant, on vide des protons de couches qui interagissaient très fortement avec les neutrons, réduisant ainsi de façon notable le gap des neutrons (N = 20), ce qui détruit la magicité de l’oxygène 28. Selon Olivier Sorlin, physicien au Ganil et coauteur de l’étude, la « magicité est donc un concept plus subtil que ce que l’on pensait il y a encore quelques années. Ce sont les forces nucléaires qui définissent le caractère magique d’un noyau, car retirer des protons de certaines orbitales modifie profondément l’équilibre de celui-ci. »