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Le magnésium 36 : une clé pour l'astrophysique nucléaire ?

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Contrairement à ce que l'on pourrait croire, le sujet de la nucléosynthèse est encore loin d'être clos. On ne sait toujours pas avec certitude d'où provient l'or par exemple, même s'il ne fait pas de doute qu'une composante importante de ce noyau présent dans la galaxie provient directement des supernovae. Les astrophysiciens nucléaires étudient toujours la physique des noyaux riches en neutrons mais instables qui seraient des étapes-clés pour la nucléosynthèse des éléments lourd au-delà du fer par addition de neutrons selon deux processus baptisés « s (slow) process » et « r (rapide) process ». Pour la première fois, la spectroscopie gamma d'un noyau de magnésium 36 a pu être faite.

Le spectrographe utilisé pour l'analyse du Mg 36 (Crédit : National Superconducting Cyclotron Laboratory).

Cet isotope du magnésium 24 est particulièrement intéressant parce qu'il se trouverait dans une zone mystérieuse de la « carte des noyaux » qu'on appelle « Island of inversion ». On sait d'expérience que les nucléons dans les noyaux ont un comportement très complexe mais qui peut être décrit dans certaines limites par différents modèles.

La "carte des noyaux". En noir les noyaux stables connus et en bleu ceux instables. Les autres couleurs correspondent à des noyaux hypothétiques à la portée des accélérateurs (Crédit : Michigan State University Board of Trustees).

L'un d'entre eux est le modèle en couches qui repose sur l'idée que, tout comme les électrons dans un atome, les nucléons se rassemblent sur des niveaux d'énergies formant des couches similaires aux couches électroniques expliquant les propriétés chimiques des atomes. Il apparaît alors des « nombres magiques » pour le nombre de nucléons des noyaux  correspondant à des noyaux particulièrement stables et  similaires, dans le domaine de la chimie nucléaire, aux atomes de gaz rares pour la chimie atomique. Ces nombres pour les protons et/ou les neutrons apparaissent en effet lorsque les couches nucléaires sont remplies.

Il existe toutefois des limites à ce modèle. L'une d'elles correspond à des zones de la carte mentionnée précédemment où les noyaux riches en neutrons ne sont plus sphériques. Des particularités insoupçonnées des forces nucléaires entre nucléons y sont plus nettement visibles mais elles sont aussi un défi pour les théoriciens. Comme ces noyaux sont instables et se désintègrent en noyaux plus légers par désintégration bêta, ils sont susceptibles d'intervenir dans la chaîne complexe des réactions nucléaires à l'origine des éléments lourds.

La localisation des différentes "Island of inversion"(Crédit : Michigan State University Board of Trustees).

Le cas du magnésium 36 avec 24 neutrons et 12 protons est intéressant parce qu'il est suffisamment exotique pour livrer des renseignements importants et en même temps à la portée des accélérateurs terrestres. Les chercheurs du National Superconducting Cyclotron Laboratory's Coupled Cyclotron Facility de la Michigan State University, avec leurs collègues Japonais et Anglais, ont donc exposé des cibles en béryllium à des faisceaux de calcium 48. Plusieurs réactions nucléaires se sont alors produites avec notamment l'apparition de noyaux de silicium 38. Lesquels noyaux ont frappé une autre cible de béryllium produisant à leur tour quelques rares noyaux de Mg 36. Sur 400 000 noyaux de Si 38 environ un seul donnera  l'isotope de magnésium cherché lors de cette collision.

L'analyse des rayons gamma produits par les noyaux de Mg 36 se désintégrant, a confirmé qu'il faisait bien partie de la région nommée « Island of inversion » par les physiciens nucléaires. Une pierre de plus à l'édifice de la science a donc été apportée et l'on devrait comprendre un peu mieux l'origine des éléments qui nous entourent.

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