Le zirconium 80, un noyau doublement "magique"

  • Par kjhg

Au sein du National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) et de la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), tous deux implantés sur le site de l’Université d’État du Michigan (MSU), des scientifiques créent des isotopes rares et étudient leurs propriétés. Expérimentateurs et théoriciens se rencontrent dans l’espoir de réaliser de nouvelles percées scientifiques, et de mieux comprendre le noyau atomique et les phénomènes qui s’y déroulent.

Au sein du noyau atomique, de nombreux processus physiques sont en jeu

C’est ainsi qu’un isotope du zirconium, ce matériau présent sous forme d’oxyde sur de nombreux bijoux, le zirconium dit "80" car son noyau possède 80 nucléons (neutrons + protons), a été sondé en détails par une équipe de chercheurs. Dans une étude publiée dans la revue Nature le 25 novembre 2021, l’équipe est parvenue pour la première fois à mesurer précisément la masse de cet isotope rare et instable. Et surprise, leur résultat montre une différence avec la mesure précédente : le noyau de zirconium 80 serait plus léger que prévu. "L'interaction entre les théoriciens nucléaires et les expérimentateurs est comme une danse coordonnée", a déclaré l'assistant de recherche au FRIB et premier auteur de l'étude Alec Hamaker dans un communiqué. "Chacun à tour de rôle mène et suit l'autre."

De la même façon que les électrons évoluent au sein d’un nuage électronique, les protons et les neutrons se déplacent dans des structures appelées "orbitales" au sein du noyau atomique : c'est l'hypothèse du modèle en couches. Celles-ci peuvent prendre différentes formes, la majeure partie d’entre elles étant sphériques ou quasi-sphériques. "La structure de l'enveloppe nucléaire varie, en raison des changements du champ nucléaire moyen, avec le nombre de neutrons N et de protons Z", détaille l’étude. Et c’est précisément en mesurant la masse précise des atomes qu’il est possible de déduire la forme du noyau atomique.

Celle-ci reflète le contenu énergétique des noyaux, comme notamment l’énergie de liaison, qui permet aux nucléons de se maintenir au sein du noyau. Car si l’on pourrait supposer que la masse du noyau correspond à l’addition des masses individuelles de chaque particule qui le compose, d’autres phénomènes rentrent en jeu qui permettent de convertir de la masse en énergie, et inversement. C’est la fameuse équation d’Albert Einstein E = mc² : E représente l’énergie et m la masse, tandis que c correspond à la vitesse de la lumière dans le vide.

Un atome sera alors d’autant plus stable que son énergie de liaison est élevée : les protons et neutrons seront mieux confinés au sein du noyau. D’après les modèles de physique nucléaire, pour des nombres particuliers de neutrons et de protons, le noyau sera particulièrement stable : ce sont des nombres dit "magiques". En effet, la modélisation des neutrons et des protons au sein du noyau fait appel à un remplissage en couches, et lorsqu’elles sont entièrement remplies, c’est là que le noyau est le plus stable.

Le cas particulier du zirconium 80, un noyau doublement "magique"

Le zirconium 80, un noyau doublement

Le cas du noyau de zirconium 80 intéresse particulièrement les chercheurs pour deux raisons. Tout d’abord, il est dit "auto-conjugué" : il possède autant de neutrons que de protons. "Les isotopes N=Z (constitués d'un nombre égal de protons et de neutrons) sont en général très intéressants car leurs structures d'enveloppe de protons et de neutrons, ou la façon dont ils s'organisent dans le noyau, devraient être très similaires. Cela donne naissance à une énergie de liaison supplémentaire, l'énergie Wigner, dont les origines restent une question ouverte." explique à Sciences et Avenir Ryan Ringle, co-auteur de l’étude et chercheur professeur agrégé adjoint de physique à la FRIB et au département de physique et d'astronomie de la MSU

Les chercheurs le considèrent de plus comme doublement "magique" : 40, le nombre de protons et de neutrons que ce noyau contient fait partie des nombres magiques en physique nucléaire. "Bien qu'il existe de nombreux parallèles qui peuvent être établis entre la structure des orbitales électroniques (correspondant aux électrons qui gravitent autour du noyau) et celle des orbitales nucléaires, celle-ci est plus compliquée. D'une part, il existe deux types de particules (neutrons et protons) dont les structures orbitales peuvent s'influencer mutuellement. Ces interactions compliquées donnent lieu à des nombres magiques supplémentaires et peuvent également éroder les nombres magiques traditionnels à mesure que l'on s'éloigne des isotopes stables. C'est ce qui se passe avec le 80Zr. La théorie a prédit, et d'autres expériences ont vérifié, que le 80Zr est fortement déformé (en forme de ballon de rugby) ce qui donne lieu à un grand écart entre les coques", explique R. Ringle.

Le zirconium 80 se révèle encore plus léger que prévu

Du fait de ces deux particularités, les chercheurs ont voulu déterminer les propriétés de ce noyau, et améliorer les modèles de physique nucléaire actuels. "En effectuant des mesures de ces isotopes, nous pouvons comparer les théories nucléaires et voir si elles peuvent prédire les phénomènes observés, ou déterminer s'il existe une physique qui n'est pas prise en compte dans les théories", explique R. Ringle, co-auteur de l’étude et chercheur professeur agrégé adjoint de physique à la FRIB et au département de physique et d'astronomie de la MSU.

Pour cela, des installations de haute puissance sont nécessaires, car le zirconium 80 possède une durée de vie très courte, comme l’explique l’étude. "Les 80Zr à 83Zr sont des radio-isotopes instables et hautement déficients en neutrons du zirconium avec des demi-vies comprises entre 4,6 secondes et 42,17 secondes. Ils doivent donc être produits dans des installations spécialisées et sondés à l'aide d'instruments rapides et sensibles." C’est donc grâce au National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) que l’équipe est parvenue à ses fins.

La mesure de la masse a ensuite nécessité l’utilisation d’un spectromètre de masse à piège de Penning : cette technique permet de déterminer des masses moléculaires précises par la détection d’ions piégés grâce à un champ électrique. Installé au NCSL, il a permis une mesure de la masse du zirconium d’une précision sans précédent. "Lorsque nous effectuons des mesures de masse à ce niveau précis, nous mesurons en fait la quantité de masse manquante", a complété R. Ringle. "Les théoriciens avaient prédit que le zirconium-80 était un noyau doublement magique déformé il y a plus de 30 ans", a déclaré A. Hamaker. "Il a fallu un certain temps aux expérimentateurs pour apprendre la danse et fournir des preuves aux théoriciens, a-t-il continué en filant la métaphore. Maintenant que les preuves sont là, les théoriciens peuvent déterminer les prochaines étapes de la danse."

Reste maintenant à expliquer pourquoi ce noyau précisément est autant lié, ce sur quoi les chercheurs comptent se pencher par la suite. "Dans ce noyau, nous avons deux sources concurrentes d'énergie de liaison supplémentaire, le remplissage des orbitales atomiques et l'énergie de Wigner. L'énergie de Wigner est observée comme une augmentation de l'énergie de liaison des isotopes N=Z qui s'explique en partie, mais pas entièrement, par des corrélations d'appariement neutron-proton. Puisque notre expérience mesure l'énergie de liaison totale, nous devons soustraire une estimation de l'énergie de Wigner afin d'extraire la contribution due à la complétion des couches atomiques.", conclut R. Ringle.

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