Evaluation of Phenomenological Characteristics of the Two-Proton Decay of the 45Fe Nucleus

À la limite extrême du monde atomique, là où les forces maintenant un noyau ensemble sont étirées jusqu'à leur point de rupture, un événement rare et fugace se produit. Certains noyaux atomiques sont si lourds de protons qu'ils ne peuvent tous les contenir ; ils sont instables et doivent se défaire de l'excédent pour trouver la stabilité. Alors que de nombreux atomes instables éjectent simplement un seul proton, un groupe très spécifique de noyaux situés au-delà de la « ligne de goutte de protons » fait face à un défi différent : ils doivent éjecter deux protons à la fois. Ce phénomène, connu sous le nom de radioactivité deux-proton, est une danse délicate de mécanique quantique où le moment et l'interaction des particules s'échappant révèlent la structure cachée du noyau lui-même. Pendant des décennies, les physiciens ont débattu de la manière dont cela se produit : les deux protons partent-ils l'un après l'autre, marquant une brève pause dans un état intermédiaire réel, ou s'échappent-ils ensemble dans un éclat unique et coordonné à travers une configuration virtuelle et éphémère ? Comprendre ce processus est crucial car il agit comme une sonde des forces fondamentales qui façonnent le noyau atomique, offrant une fenêtre sur le comportement de la matière dans des conditions qui ne peuvent être créées nulle part ailleurs dans l'univers.

Une équipe de chercheurs de l'Université d'État de Voronej a développé un nouveau cadre mathématique pour répondre à ces questions, en l'appliquant au noyau du fer-45, un système de référence pour ce type de désintégration. Le fer-45 est un isotope rare qui se situe précisément sur le bord de la stabilité, et lorsqu'il se désintègre, il se transforme en chrome-43 en éjectant deux protons. Les scientifiques ont créé une théorie sophistiquée basée sur le concept de « fonction de Green », qui agit comme un pont reliant le noyau initial au noyau final à travers l'étape intermédiaire. Cette approche permet de traiter l'émission des deux protons comme deux étapes consécutives, mais avec une nuance cruciale : la théorie tient compte à la fois des scénarios où le noyau intermédiaire existe en tant qu'état réel et temporaire, et des scénarios où il n'existe que comme une possibilité mathématique virtuelle qui ne se forme jamais complètement. En utilisant cette méthode unifiée, les chercheurs ont pu calculer non seulement la vitesse à laquelle la désintégration se produit, mais aussi les directions spécifiques dans lesquelles les protons s'éparpillent.

Les chercheurs ont appliqué leur théorie au fer-45 en utilisant un modèle qui tient compte de la nature superfluide du noyau, où les protons s'apparient et se déplacent de manière coordonnée, de façon similaire à la manière dont les électrons se déplacent dans un supraconducteur. Ils ont testé leurs calculs par rapport à des données expérimentales réelles, en examinant spécifiquement la vitesse totale de la désintégration et la distribution angulaire des protons émis. Les résultats ont montré une sensibilité frappante au choix du potentiel nucléaire, qui est la description mathématique du champ de force à l'intérieur du noyau. L'équipe a découvert que seule une version très spécifique de ce potentiel, précédemment proposée dans d'autres études, pouvait reproduire simultanément le taux de désintégration mesuré et le profil observé des angles des protons. D'autres modèles de potentiel, bien que mathématiquement valides dans d'autres contextes, ne parvenaient pas à correspondre à la réalité expérimentale lorsqu'ils étaient appliqués à cette désintégration spécifique.

L'une des découvertes les plus significatives est que les chercheurs ont été capables d'écarter l'idée que les protons partent simplement comme des particules indépendantes sans aucune corrélation, ou qu'ils forment un amas préexistant et serré appelé « diproton » avant de s'échapper. Au lieu de cela, les données soutiennent l'image de protons émis de manière séquentielle, mais un processus fortement influencé par les états quantiques « virtuels » du noyau intermédiaire. L'étude a démontré que la distribution angulaire des protons — les angles sous lesquels ils s'éparpillent — contient une signature cachée de la structure nucléaire. Lorsque les chercheurs ont comparé leurs prédictions théoriques avec les histogrammes expérimentaux des angles des protons, ils ont constaté que le potentiel nucléaire correct produisait une courbe qui correspondait presque parfaitement aux données, capturant les asymétries subtiles que d'autres modèles avaient manquées.

L'article conclut que cette nouvelle approche par la fonction de Green fournit un outil cohérent et puissant pour comprendre la radioactivité deux-proton. Elle parvient à combler le fossé entre la description théorique des désintégrations séquentielles réelles et les désintégrations virtuelles plus évasives, le tout au sein d'un cadre de mécanique quantique unique. En démontrant que le choix correct du potentiel nucléaire est essentiel pour reproduire les résultats expérimentaux, ce travail souligne la sensibilité de ces processus de désintégration aux détails microscopiques du noyau. Les chercheurs soulignent que leur méthode ne repose pas sur des ajustements arbitraires mais émerge naturellement de la physique sous-jacente de l'appariement des protons et de la structure en couches. Cela suggère que la corrélation angulaire des protons émis sert de test strict pour les modèles théoriques, offrant un moyen de distinguer différentes descriptions des forces nucléaires. En fin de compte, l'étude confirme que le noyau du fer-45 se désintègre selon un mécanisme qui est mieux décrit par un processus séquentiel impliquant des états intermédiaires virtuels, et que la forme spécifique du champ de force nucléaire est la clé pour déverrouiller les détails de cet événement cosmique rare.