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Posté par Michel le Mercredi 06/03/2013 à 00:00
Noyaux instables: l'interaction proton-neutron mise à l'épreuve
L'étude au GANIL du noyau très riche en neutrons de fluor-26 (Z=9, N=17) a permis d'étudier le comportement des forces nucléaires à la limite de liaison nucléaire. Les résultats publiés dans le journal Physical Review Letters montrent que l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) entre protons et neutrons de valence est réduite dans ce noyau d'environ 20% par rapport à celle qui prévaut dans les noyaux stables. Cette découverte permet de donner un point (Graphie) d'ancrage aux modèles théoriques qui sont utilisés pour comprendre la synthèse de la moitié des "éléments lourds" dans l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).

L'étude de noyaux éloignés de la vallée (Une vallée est une dépression géographique généralement de forme allongée et façonnée dans le relief par un cours d'eau (vallée fluviale) ou un glacier (vallée...) de stabilité nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) a permis ces dernières années de sonder des propriétés des forces nucléaires jusqu'ici inconnues du fait, par exemple, de ce que protons et neutrons occupent des combinaisons d'orbitales jamais explorées pour les noyaux stables. Une des conséquences majeures des modifications de l'interaction entre nucléons est la disparition de certaines fermetures de couches nucléaires (et par conséquent de nombres magiques) au profit de nouvelles. Plus récemment encore, une expérience réalisée au GANIL a levé le voile sur un autre aspect des forces nucléaires, en montrant qu'elles subsistent à la limite de liaison nucléaire (La liaison nucléaire est le phénomène qui assure la cohésion d'un noyau atomique.).

Le noyau de 26F constitue un mini (MINI est une marque automobile de BMW Group. L'ancien modèle Mini était construit par MG Rover.) laboratoire idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde...) pour tester l'intensité des forces nucléaires dans un cas extrême d'asymétrie de liaison entre protons et neutrons. En effet contrairement aux noyaux stables pour lesquels les énergies de liaison des protons et des neutrons de valence sont similaires, le 26F peut être modélisé comme un cœur de 24O relativement inerte, auquel sont ajoutés un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) lié par -15MeV (formant alors le 25F) et un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative)....) non lié par +0.7MeV (formant alors le noyau de 25O). Alors que la fonction d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte...) du proton célibataire est bien confinée à l'intérieur du noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite que celle de l'atome...), celle du neutron célibataire s'étend hors du noyau, et n'est contrainte que par la seule la barrière centrifuge. Le recouvrement (Un recouvrement d'un ensemble X est un ensemble P de sous-ensembles non vides de X tel que l'union de ces sous-ensembles soit égal à X. Autrement dit P est un recouvrement de X si...) spatial entre ce proton très confiné dans le noyau, et ce neutron plus enclin à en sortir devrait donner une interaction proton-neutron plus faible que d'ordinaire. Pour le prouver et pour quantifier cette réduction, il a été nécessaire de produire le noyau de 26F et de mesurer les énergies de liaison de quatre de ses états (J=1-4) issus des interactions entre protons et neutrons de valence ayant une orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la...) spatiale et en spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) différentes.

Pas moins de quatre techniques expérimentales différentes ont été mises en oeuvre pour caractériser ces états, un record dans le domaine de la structure nucléaire. Trois de ces états ont été étudiés au GANIL, et cerise (La cerise est le fruit comestible du cerisier. C’est, après la fraise, le plus populaire des petits fruits rouges. Il s'agit d'un petit fruit charnu à noyau, de forme...) sur un gâteau déjà copieux, celui découvert récemment au GANIL (état J =4) est un isomère. Il vit environ 2ms, une durée suffisamment longue pour pouvoir l'étudier en laboratoire. La comparaison de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de liaison des 4 états identifiés (depuis état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux est un état excité.) J=1 lié par -0.8 MeV, jusque l'état J=3 non lié par +0.6 MeV) avec des modèles théoriques montre une diminution de l'interaction proton-neutron d'environ 20% dans ce noyau. C'est une diminution importante dont il faudra tenir compte pour modéliser le processus rapide de capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à sa...) de neutron (processus r) qui flirte avec la limite de liaison nucléaire pour produire dans certaines supernovae ou dans des étoiles à neutrons en accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) la moitié des éléments lourds dans l'univers.

Si cette interaction nucléaire dans le 26F est plus faible de 20% par rapport à la normale, les forces nucléaires recèlent tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) de même une surprise de taille. En effet, alors que le 25O est non lié, l'ajout d'un seul proton permet de lier pas moins de 6 neutrons pour former le 31F, l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre...) du fluor le plus riche en neutrons à être lié. Par contre, les isotopes de 28F et 30F ne sont pas liés. Il reste donc des mystères à élucider à la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement...) ténue entre le noyau atomique et son continuum d'états quantiques non liés.

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Source: CNRS-IN2P3