Des chercheurs montrent que le noyau du zirconium-80 (80Zr) est plus léger qu’ils ne le pensaient. © Negro Elkha, Adobe Stock
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Lumière sur un noyau doublement magique, le zirconium !

ActualitéClassé sous :Physique , atome , Albert Einstein

L'union fait la force. C'est un proverbe bien connu. La devise de la Belgique, notamment. Et des chercheurs en démontrent aujourd'hui une fois encore la pertinence. Les expérimentateurs et des théoriciens ont uni leurs forces pour percer le secret du noyau doublement magique de zirconium-80 !

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Le zirconium a été découvert sous sa forme métallique au début du XIXe siècle. Il est connu du public sous sa forme oxydée. La zircone, en effet, donne des diamants synthétiques assez réussis. Pour les chercheurs, toutefois, le zirconium reste un élément chimique (Zr) de numéro atomique 40. Dont l'isotope 80 portait un mystère, le mystère dit de la masse manquante du zirconium-80 (80Zr).

Mais enfin, une équipe de physiciens regroupant des expérimentateurs du National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL, États-Unis) et des théoriciens de la Facility for Rare Isotope Beams (États-Unis) semble avoir résolu l'énigme. Les premiers avançant que le noyau du zirconium-80 est plus léger que ne le pensaient jusqu'ici les chercheurs. Les seconds tentant d'expliquer le phénomène à l'aide de modèles nucléaires avancés et de nouvelles méthodes statistiques.

Notez d'abord que le zirconium-80 est ce que les physiciens considèrent comme un noyau difficile à fabriquer. Les installations du NSCL leur ont permis d'en obtenir suffisamment pour mesurer sa masse avec une précision sans précédent, grâce à un spectromètre de masse de très grand pouvoir de résolution, basé sur des pièges de Penning, une manière de déterminer la masse manquante du noyau de 80 Zr. Au-delà de celle portée par les 40 protons et les 40 neutrons qui le composent. Celle qui est liée à l'énergie qui assure la cohésion de ce noyau.

Le noyau du zirconium-80 (80Zr) est plus léger que la somme des masses de ses 40 protons et 40 neutrons. La masse manquante est convertie en énergie de liaison responsable de la cohésion du noyau. © Facility for Rare Isotope Beams

Un noyau fortement lié

Une masse liée à l'énergie ? Oui. C'est bien ce que nous rappelle toujours la célèbre équation d'Albert Einstein : E=mc2. Elle relie la masse (m) à l'énergie (E) par l'intermédiaire de la vitesse de la lumière (c). Ainsi, un noyau qui exerce une emprise plus importante sur ses constituants -- en d'autres mots, qui présente une énergie de liaison plus forte -- aura aussi plus de masse manquante. Et les chercheurs viennent donc de montrer que le noyau du zirconium-80 est sensiblement plus léger et donc plus fortement lié qu'ils ne le pensaient.

Comment l'expliquer ? Par la magie ? Du moins, la magie au sens où les physiciens l'entendent. Selon cette magie-là, un noyau peut dépasser les attentes de masse en présentant un nombre spécial de protons ou de neutrons. Des nombres magiques qui apportent de la stabilité au noyau.

La théorie, donc, postulait que le zirconium-80 devait présenter un nombre spécial de protons et de neutrons, ce qui le rendait doublement magique. Des expériences passées avaient aussi montré que le noyau du 80Zr avait plus la forme d'un ballon de rugby que celle d'un ballon de foot. Et les théoriciens avançaient que cette forme pourrait être à l'origine de la magie portée par le noyau de zirconium-80. Avec ces mesures ultra-précises de la masse du noyau de l'atome de 80Zr, ils en ont la preuve.

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