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Le halo des noyaux atomiques exotiques révélé par le laser

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La physique nucléaire a encore de beaux jours devant elle... En utilisant les techniques modernes de la spectroscopie atomique, un groupe de chercheurs allemands a mesuré précisément pour la première fois la taille de noyaux exotiques découverts au début des années 1980.

La structure en halo du 11Be révèle un neutron orbitant selon les principes de la mécanique ondulatoire autour d'un noyau de 10Be. Le rayon de l'orbite, 7 femtomètres, est presque 3 fois supérieur à celui du noyau central. Crédit : Département de chimie nucléaire, université de Mainz.

On pourrait croire que depuis son développement rapide consécutif à la Seconde guerre mondiale, la physique du monde des noyaux est désormais un domaine presque figé où plus aucune surprise n'attend le chercheur. Il est vrai que depuis les premiers balbutiements de la physique nucléaire et son envol rapide à la fin des années 1930 grâce à des chercheurs du calibre d'Enrico Fermi, Niels Bohr et John Wheeler, la physique nucléaire a été intensivement développée pour la fabrication des armes et des centrales nucléaires.

Les années 1950 et 1960 voient aussi les premiers succès spectaculaires de l'astrophysique nucléaire, capable de décrire la nucléosynthèse stellaire, celle du Big Bang et d'aider, grâce aux météorites, au décryptage de la formation du système solaire.

Aage Bohr et son père Niels Bohr, tous deux prix Nobel de physique. Crédit : AIP Emilio Segre Visual Archives

Les sommets de la connaissance et de la modélisation des noyaux semblent être atteints lorsque paraît, en 1975, le deuxième tome de l'ouvrage de Aage Bohr et Ben MottlesonNuclear structure.

Toutefois, au début des années 1980, un groupe de physiciens nucléaires travaillant à l'université de Berkeley découvre que certains isotopes de noyaux légers riches en neutrons ne se comportent pas comme on s'y attendait. Alors que les nucléons des noyaux sont normalement rassemblés pour former ce qui peut se décrire comme un liquide nucléaire chargé, extrêmement visqueux et dense, certains isotopes de lithium, d'hélium et de béryllium possèdent visiblement une sorte de halo de neutrons isolés orbitant selon les lois de la mécanique ondulatoire à une distance non négligeable du noyau central.

Des neutrons trop lointains

Bien que la description probabiliste sous la forme de fonctions d'onde rende compte de la structure de tels halos de neutrons, leur existence même est paradoxale et doit provenir de propriétés encore mal comprises des forces résiduelles entre quarks et gluons, responsables des liaisons entre protons et neutrons dans les noyaux.

En effet, ces neutrons se trouvant souvent hors de la zone ou classiquement s'exerce la portée des forces nucléaires mésoniques, ils ne devraient pas être liés aux noyaux et pourtant ils le sont !

Aage Bohr en pleine discussion avec Ben Mottelson. Crédit : AIP Emilio Segre Visual Archives

Jusqu'à aujourd'hui, la détermination précise de la taille des halos de neutrons autour des noyaux exotiques de 6He, 8He et 11Li restait difficile et celles des isotopes 7Be, 10Be, et 11Be n'avait pas pu être faite.

Cela n'est guère étonnant. Non seulement ces isotopes ne peuvent être produits qu'en petites quantités grâce à des collisions de protons sur une cible fixe, comme avec Isolde au Cern, mais surtout, ils se désintègrent très vite, rendant malaisée l'étude de leurs caractéristiques.

Un moyen de contourner la difficulté est de mettre à profit le fait que la structure nucléaire influence la structure fine des niveaux d'énergies des électrons dans les couches électroniques entourant ces noyaux exotiques.

C'est justement ce que Wilfried Nörtershäuser et ses collègues de l’Institut de chimie nucléaire de l'université Gutenberg de Mainz (Allemagne) viennent de faire. A l'aide de techniques de spectroscopie laser performantes, développées pour la physique atomique et moléculaire, ils ont pu mesurer les différences d'énergies de transitions électroniques pour certains niveaux fins, existant entre les isotopes et les noyaux étudiés.

L'un des noyaux dont la taille du halo a pu être déterminé pour la première fois est le 11Be. Les mesures ont indiqué un rayon de 7 femtomètres (1 fm = 1 fermi = 10-15 m) pour l'orbite du neutron isolé autour du noyau central alors que le rayon de ce dernier est de 2,5 femtomètres.

Ces expériences sont intéressantes car elles devraient nous permettre de mieux comprendre les forces nucléaires et surtout, tout comme le cas de l'hélium 8 et la découverte de la désintégration radioactive à deux protons, elles démontrent que la physique nucléaire est encore un domaine bien vivant...