Physique nucléaire: vers une meilleure modélisation des systèmes complexes

Trois chercheurs de l'université de Huelva (Espagne), de l'université hébraïque de Jérusalem et du GANIL (1) (CEA-CNRS (2)), proposent une méthode mathématique permettant de mieux caractériser les propriétés collectives de systèmes aussi complexes que le noyau des atomes. Cette avancée théorique fait l'objet d'une publication dans le journal Physical Review Letters du 20 mars 2009.

Le noyau atomique est un système complexe constitué de plusieurs particules, les nucléons, en interaction les uns avec les autres. Les propriétés fondamentales du noyau, telles que sa masse, sa forme, ou bien sa durée de vie s'il est radioactif, ainsi que les modifications de sa structure en réponse à une contrainte extérieure, font l'objet d'études aussi bien théoriques qu'expérimentales. C'est le domaine de recherche de la physique nucléaire.

La modélisation du noyau atomique est généralement abordée suivant deux axes: si le noyau atomique compte un faible nombre de nucléons (moins d'une quinzaine), il peut être décrit avec une bonne précision à partir de ce que l'on sait de l'interaction de seulement deux nucléons. Au-delà, c'est-à-dire pour la plupart des atomes qui existent sur Terre ou que l'on peut fabriquer en laboratoire, il est généralement nécessaire du fait de la complexité des équations mathématiques à résoudre, de faire des approximations fondées notamment sur une classification des modes collectifs d'interaction des nucléons. La description du noyau est alors réduite à celle de paires de nucléons appelés "bosons" dont l'interaction est à l'origine des principales propriétés collectives du noyau.

La description exacte d'un tel système repose sur les lois de conservation (ou "propriétés de symétrie") suivies par les forces nucléaires ; leur hiérarchisation peut être traitée de manière théorique en associant aux différentes forces des opérateurs mathématiques obéissants à des algèbres spécifiques.

Ce traitement des modes d'interactions des nucléons en donne une description qui est exacte du point de vue mathématique, mais parfois éloignée de l'observation expérimentale, soit que les modes d'interactions sont plus complexes, soit que les propriétés de symétrie identifiées ne sont pas exactement suivies.

Pour résoudre cette difficulté, les trois théoriciens proposent une méthode qui identifie, parmi les différents modes d'interaction possibles entre les nucléons, ceux qui sont les plus pertinents au regard des propriétés à basse énergie du noyau (celles accessibles à l'expérience).

Appliqué avec succès à la modélisation de modes de rotation et de vibration du noyau stable de platine-196, contenant pas moins de 196 nucléons, le nouvel outil théorique proposé permettra de mieux décrire et donc de mieux comprendre les propriétés collectives de systèmes complexes tels que les noyaux atomiques ou bien les molécules.


Notes:

(1) GANIL: Grand accélérateur national d'ions lourds, laboratoire commun CEA-CNRS, Caen.

(2) CNRS/IN2P3: Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS.