Ground-state properties of superheavy $Z=122$ isotopes within the deformed relativistic Hartree-Bogoliubov theory in continuum

Cette étude utilise la théorie de Hartree-Bogoliubov relativiste déformée dans le continuum pour explorer les propriétés de l'état fondamental des isotopes superlourds $Z=122$, en déterminant leurs lignes de goutte, en suggérant des nombres magiques potentiels et en analysant l'évolution de leurs structures nucléaires.

L'essentiel

Imaginez que vous êtes un architecte cosmique, chargé de concevoir les bâtiments les plus lourds et les plus complexes de l'univers : les noyaux atomiques. La plupart des gens connaissent l'or, le plomb ou l'uranium, mais les physiciens s'intéressent maintenant à des "gratte-ciels" atomiques encore plus massifs, avec un nombre de protons (les briques de charge positive) égal à 122. On appelle cet élément hypothétique l'Unbibium (Ubb).

Le problème ? Ces bâtiments sont si lourds qu'ils devraient s'effondrer sur eux-mêmes instantanément. Pourtant, la théorie suggère qu'il existe des "zones de stabilité" où ces géants pourraient tenir debout, un peu comme un château de cartes qui, malgré sa taille, trouverait un équilibre parfait.

Voici ce que cette recherche a découvert, expliqué simplement :

1. L'outil de prédiction : Le "GPS" de l'atome

Les scientifiques n'ont pas encore réussi à fabriquer cet élément en laboratoire (c'est comme essayer de construire un gratte-ciel sans avoir les matériaux). Alors, ils utilisent un logiciel de simulation très puissant appelé DRHBc.

• L'analogie : Imaginez que vous essayez de prédire la forme d'un ballon de baudruche gonflé à l'extrême. Si vous ne faites que le regarder de face (théorie sphérique), vous pensez qu'il est rond. Mais si vous le regardez sous tous les angles, en tenant compte de la pression de l'air et de la façon dont le caoutchouc s'étire, vous réalisez qu'il peut devenir ovale, plat ou même bizarrement déformé.
• La découverte : Cette étude utilise le modèle le plus avancé (DRHBc) qui prend en compte ces déformations, contrairement aux modèles plus simples qui supposent que l'atome est toujours une boule parfaite.

2. La quête de la forme parfaite (Le "Sol" de l'atome)

Pour savoir si un atome est stable, il faut trouver son état le plus bas en énergie, comme une balle qui roule au fond d'une vallée.

• Le défi : Dans ces super-lourds, le paysage énergétique est très accidenté. Il y a plusieurs vallées (des formes possibles). Parfois, une vallée semble profonde, mais si vous changez légèrement la façon de regarder (en ajustant les calculs), elle s'effondre.
• La stratégie : Les chercheurs ont dû faire très attention pour ne pas se tromper de "vallée". Ils ont découvert que pour ces atomes géants, la forme la plus stable n'est pas toujours ronde. Souvent, ils s'aplatissent comme une crêpe (déformation oblate) ou s'allongent comme un ballon de rugby (déformation prolate).
• Le verdict : Pour l'Unbibium, la forme la plus stable ressemble souvent à une crêpe très aplatie, et non à une sphère parfaite.

3. Les "Îles de la stabilité" (Les nombres magiques)

En physique nucléaire, certains nombres de neutrons (les briques neutres qui aident à coller le tout) agissent comme des fondations inébranlables. On les appelle des nombres magiques.

• L'analogie : C'est comme si vous empiliez des blocs de Lego. Certains nombres de blocs créent une structure si solide qu'elle résiste à tout.
• La prédiction : Cette étude confirme que pour l'Unbibium, il y a trois "îles de stabilité" potentielles où les noyaux pourraient vivre plus longtemps :
  • N = 184
  • N = 258
  • N = 350
    Si vous arrivez à construire un atome avec exactement ce nombre de neutrons, il pourrait être beaucoup plus stable que ses voisins.

4. Les limites de la carte (Les gouttes qui tombent)

Les chercheurs ont aussi tracé les frontières de ce qu'on appelle la "drip line" (la ligne de dégouttement).

• L'analogie : Imaginez un éponge. Si vous ajoutez trop d'eau (neutrons), elle ne peut plus en absorber et l'eau commence à couler. C'est la même chose pour les atomes : si vous ajoutez trop de neutrons, ils ne peuvent plus rester attachés et "tombent" du noyau.
• Le résultat : L'étude dit que pour l'Unbibium, si vous avez moins de 182 neutrons, l'atome explose (trop de protons). Si vous en avez plus de 320, il commence à perdre des neutrons. Mais il y a une zone étrange, une "péninsule de stabilité", où certains atomes instables en apparence peuvent en fait survivre un moment, un peu comme des îles isolées au milieu d'un océan d'instabilité.

En résumé

Cette recherche est une carte au trésor théorique. Elle nous dit :

1. Où chercher : Si nous voulons fabriquer l'élément 122, nous devons viser des combinaisons spécifiques de neutrons (autour de 184, 258 ou 350).
2. À quoi s'attendre : Ces atomes ne seront pas des boules parfaites, mais des formes déformées, comme des crêpes ou des ballons de rugby.
3. La méthode : Pour trouver ces réponses, il faut utiliser des modèles très complexes qui ne supposent pas que tout est rond, car dans le monde des super-lourds, la déformation est la clé de la survie.

C'est un travail de préparation essentiel pour les futurs physiciens qui tenteront de construire ces atomes dans les laboratoires du monde entier, espérant toucher la frontière ultime de la matière.

Résumé technique

Titre de l'étude

Propriétés de l'état fondamental des isotopes superlourds Z = 122 dans le cadre de la théorie relativiste de Hartree-Bogoliubov déformée dans le continuum (DRHBc).

1. Problématique

La synthèse de nouveaux éléments superlourds (Z > 118) constitue une frontière majeure de la physique nucléaire, visant à comprendre les limites de la carte nucléaire et la stabilité des noyaux à très haute charge. Bien que des éléments jusqu'à Z = 118 aient été synthétisés expérimentalement, la création d'éléments dans la plage Z = 119–122 (notamment l'Unbibium, Z = 122) reste un défi expérimental non résolu à ce jour.

Le problème central réside dans la nécessité de prédire avec précision les propriétés de ces noyaux hypothétiques pour guider les expériences futures. Les modèles théoriques doivent extrapoler les comportements nucléaires dans des régions où les données expérimentales sont inexistantes. Il est particulièrement crucial de déterminer :

• Les limites de stabilité (lignes de goutte protonique et neutronique).
• L'existence de nombres magiques (coquilles fermées) au-delà de N = 184.
• L'influence des degrés de liberté de déformation (axiale, triaxiale, octupolaire) et des effets de continuum sur l'état fondamental.

2. Méthodologie

Les auteurs ont utilisé la théorie relativiste de Hartree-Bogoliubov déformée dans le continuum (DRHBc). Cette approche est considérée comme l'un des modèles les plus puissants car elle traite de manière auto-cohérente trois aspects fondamentaux :

1. Les corrélations d'appariement (pairing).
2. Les effets de continuum (essentiels pour les noyaux faiblement liés proches des lignes de goutte).
3. Les degrés de liberté de déformation (y compris la déformation axiale).

Détails techniques :

• Fonctionnelle de densité : Utilisation de la fonctionnelle relativiste PC-PK1.
• Base de calcul : Base de Woods-Saxon de Dirac (DWS) dans une boîte de rayon $R_{box} = 20$ fm, avec une coupure de moment angulaire $J_{max} = 31/2 \hbar$ et une coupure d'énergie $E_{cut} = 300$ MeV.
• Comparaison : Les résultats DRHBc sont comparés à ceux obtenus avec la théorie RCHB (Relativistic Continuum Hartree-Bogoliubov) sphérique.
• Vérification des symétries : Pour valider la stratégie de détermination de l'état fondamental, des calculs supplémentaires ont été effectués avec la théorie des champs de densité covariante contrainte multidimensionnellement (MDC-CDFT) pour le noyau $^{384}$Ubb. Cela a permis d'évaluer l'impact des déformations triaxiales et octupolaires sur les courbes d'énergie potentielle (PEC).

3. Contributions Clés et Stratégie

L'une des contributions majeures de cet article est la proposition d'une stratégie rigoureuse pour identifier l'état fondamental dans les régions superlourdes, où les courbes d'énergie potentielle présentent de multiples minima locaux.

• Convergence de la coupure angulaire : L'étude a démontré que $J_{max} = 31/2 \hbar$ est suffisant pour les isotopes Z = 122.
• Rôle des déformations :
  • L'inclusion de la déformation octupolaire élimine les minima prolatés de très grande déformation ($\beta_2 > 0.5$), les rendant non physiques comme états fondamentaux.
  • La déformation triaxiale abaisse la barrière interne mais ne supprime pas les minima existants.
  • Conclusion stratégique : L'état fondamental doit être recherché parmi les minima stables à grande déformation oblate ($\beta_2 \approx -0.4$ à $-0.5$) ou sphérique, plutôt que dans les minima prolatés instables.

4. Résultats Principaux

A. Propriétés de masse et énergies de séparation

• Énergie de liaison : Les résultats DRHBc montrent un gain d'énergie de liaison par rapport aux calculs sphériques RCHB, en particulier pour les noyaux déformés.
• Lignes de goutte (Drip Lines) :
  • Protonique : La ligne de goutte protonique est prédite à $N = 182$ ($^{304}$Ubb) dans le cadre DRHBc (vs $N=181$ en RCHB). Les isotopes avec $N \le 181$ sont instables.
  • Neutronique : La ligne de goutte neutronique est située à $N = 320$ ($^{442}$Ubb) en DRHBc. Le modèle RCHB prédit une ligne plus éloignée ($N=350$), soulignant l'importance cruciale de traiter la déformation et le continuum de manière cohérente.
  • Péninsule de stabilité : Une région de noyaux liés (avec énergies de séparation positives) mais non liés par rapport au continuum (énergies de Fermi positives) est identifiée autour de $N = 321-340$, similaire à une "péninsule de stabilité".

B. Nombres Magiques et Structure de Coquille

L'analyse des énergies de séparation ($S_{2n}$), des énergies de Fermi et des gaps de coquille suggère l'existence de nombres magiques neutroniques :

• N = 184 : Confirmé comme nombre magique.
• N = 258 : Identifié comme un nouveau nombre magique majeur.
• N = 350 : Suggéré comme un nombre magique, bien que situé dans le continuum positif.
• Le nombre magique protonique Z = 120 est confirmé, ce qui explique la réduction du gap de coquille pour Z = 122 par rapport à Z = 120.

C. Déformations et Rayons

• Évolution de la déformation : Les noyaux Z = 122 alternent entre des formes sphériques (près des nombres magiques), des déformations oblates fortes ($\beta_2 \approx -0.4$ à $-0.5$), et des déformations prolatées modérées.
• Rayons : Les rayons de charge et de neutron calculés par DRHBc sont généralement plus grands que ceux de RCHB pour les noyaux fortement déformés, en raison des effets de corrélation et de la structure des niveaux de particule unique près de la surface de Fermi.

D. Gaps d'appariement

• Les gaps d'appariement neutronique ($\Delta_n$) s'annulent aux nombres magiques (184, 258, 350) et à certains nombres sous-magiques.
• Un phénomène intéressant est observé pour le gap protonique ($\Delta_p$) : il s'effondre (devient nul ou très petit) précisément dans les régions où les noyaux présentent une forte déformation oblate, suggérant une compétition complexe entre l'appariement et la déformation.

5. Signification et Impact

Cet travail est fondamental pour la physique nucléaire des hautes énergies et la recherche d'éléments superlourds :

1. Guidage expérimental : En définissant précisément les lignes de goutte protonique et neutronique pour Z = 122, l'étude aide les expérimentateurs à cibler les cibles et les projectiles les plus prometteurs pour la synthèse future.
2. Validation théorique : La démonstration que la prise en compte simultanée de la déformation, de l'appariement et du continuum (via DRHBc) modifie significativement la prédiction des limites de stabilité par rapport aux modèles sphériques (RCHB) valide l'approche DRHBc comme outil de référence pour la carte nucléaire.
3. Nouvelle physique : La prédiction de nouveaux nombres magiques (N = 258, 350) et la description de la "péninsule de stabilité" ouvrent de nouvelles perspectives sur la structure de la matière nucléaire extrême et la possible existence d'une "île de stabilité" élargie au-delà de N = 184.

En résumé, cette étude fournit la première carte complète des propriétés de l'état fondamental pour la chaîne isotopique Z = 122, établissant un cadre robuste pour l'exploration des frontières ultimes de la matière nucléaire.