Low-energy collective structure of $^{92,94}$Zr and $^{94}$Mo from ($e,e^{\prime}$) and ($p,p^{\prime}$) scattering I. Experimental results

Au cœur de chaque atome, les protons et les neutrons ne restent pas simplement immobiles ; ils se déplacent selon un rythme collectif complexe. Bien que nous imaginions souvent ces particules comme des points individuels, dans de nombreux noyaux atomiques, elles se comportent davantage comme un fluide, oscillant ensemble selon des motifs spécifiques. Les physiciens ont compris depuis longtemps que ces oscillations se déclinent en deux types principaux. Dans le type le plus courant, les protons et les neutrons se déplacent en parfaite unison, comme une foule unique et unifiée marchant au même pas. C'est ce qu'on appelle un état pleinement symétrique. Cependant, il existe un motif plus subtil et insaisissable où les protons et les neutrons se déplacent l'un contre l'autre, comme deux groupes engagés dans un tir à la corde qui font pourtant partie de la même équipe. C'est ce qu'on appelle un état de symétrie mixte. Trouver et confirmer ces états de symétrie mixte est crucial car ils révèlent la nature spécifique de la force qui lie le noyau atomique, agissant comme un test sensible pour nos théories sur la manière dont la matière est construite à son niveau le plus fondamental.

Pour tenter d'entrevoir ces motifs cachés, une équipe de chercheurs a porté son attention sur un groupe spécifique de noyaux atomiques : le zirconium-92, le zirconium-94, le molybdène-94, le molybdène-96 et le zinc-70. Ce ne sont pas des choix aléatoires ; ce sont des noyaux qui se situent juste à l'extérieur des « couches fermées » stables où les protons et les neutrons se compactent habituellement de manière ordonnée, ce qui en fait des laboratoires idéaux pour étudier ces mouvements collectifs. Les scientifiques n'ont pas observé ces noyaux avec un seul outil. Au lieu de cela, ils ont bombardé ces derniers avec deux types différents de projectiles : des électrons à haute vitesse et des protons à haute vitesse. Les électrons, légers et chargés électriquement, interagissent avec le noyau principalement par la force électrique, offrant une image claire du mouvement des protons. Les protons, plus lourds et interagissant via la force nucléaire forte, fournissent une vue différente qui inclut le mouvement des neutrons. En comparant les résultats de ces deux expériences très différentes, les chercheurs ont pu séparer le mouvement des protons de celui des neutrons, écoutant ainsi les deux côtés du noyau parler avec des voix distinctes.

Les expériences ont eu lieu dans des installations spécialisées en Allemagne et en Afrique du Sud. L'équipe a bombardé de fines feuilles métalliques des noyaux cibles avec des faisceaux d'électrons et de protons, mesurant soigneusement les angles auxquels les particules étaient diffusées après avoir frappé le noyau. Lorsqu'une particule rebondit, l'angle de son rebond dépend de la forme et de la nature de la vibration à l'intérieur du noyau. Les chercheurs ont collecté de vastes quantités de données, cartographiant la fréquence à laquelle les particules étaient diffusées à différents angles pour des dizaines d'états excités au sein de ces noyaux. Ils ont ensuite comparé ces motifs de diffusion réels à des calculs théoriques qui prédisaient comment un noyau se comporterait s'il vibrait d'une certaine manière. Cette comparaison a permis d'attribuer un « spin » et une « parité » à chaque état excité, qui sont essentiellement des étiquettes décrivant le type de rotation et de symétrie de la vibration.

Les résultats ont fourni une carte détaillée de la structure de faible énergie de ces noyaux. L'équipe a réussi à identifier de nombreux états déjà connus, confirmant leur nature de vibrations pleinement symétriques où les protons et les neutrons se déplacent ensemble. Plus important encore, ils ont identifié des candidats possibles pour les insaisissables états de symétrie mixte et ont fourni les données expérimentales nécessaires à leur confirmation. Par exemple, dans le noyau du zirconium-94, ils ont identifié un état excité spécifique qui est un candidat pour un état de symétrie mixte, notant qu'il présente une différence distincte dans la manière dont les protons et les neutrons contribuent à la vibration. De même, dans le molybdène-94, ils ont localisé un état qui était suspecté d'être un état de symétrie mixte, et leurs nouvelles données sur la façon dont il diffuse les protons et les électrons soutiennent cette identification. L'étude a également examiné des vibrations à plus haute énergie, telles que celles impliquant des formes octopolaires, qui sont plus complexes que de simples écrasements et étirements, et a trouvé des preuves pour des versions tant symétriques que potentiellement de symétrie mixte de celles-ci également.

Ce qui rend ce travail particulièrement significatif est la méthode utilisée pour recueillir les données de confirmation de ces états. Plutôt que de s'appuyer uniquement sur la manière dont le noyau se désintègre ou émet de la lumière, ce qui peut parfois être ambigu, les chercheurs ont utilisé la comparaison directe de la diffusion des électrons et des protons pour observer les densités de transition. Une densité de transition est une mesure de la façon dont la distribution des protons et des neutrons change pendant la vibration. Dans un état pleinement symétrique, les protons et les neutrons modifient leur distribution de la même manière. Dans un état de symétrie mixte, ils la modifient de manières opposées. En démontnant que les données expérimentales correspondent aux prédictions de ces mouvements opposés, l'équipe a établi les fondements d'une signature nouvelle et robuste pour l'identification de ces états. Cette approche aide à résoudre les débats de longue date concernant l'existence de certains types de vibrations dans ces noyaux, particulièrement ceux présentant des spins plus élevés qui étaient difficiles à classifier auparavant, l'analyse complète et l'identification finale étant présentées dans un article complémentaire.

L'étude n'a pas seulement confirmé ce qui était déjà connu ; elle a également clarifié certaines incertitudes. Dans certains cas, là où des expériences précédentes suggéraient qu'un état pourrait être un mélange de différents types, les nouvelles données ont permis une attribution plus claire. Par exemple, dans le zinc-70, l'équipe a examiné un doublet d'états proche de 3044 keV ; bien que d'autres expériences aient identifié un état $5^-$, les nouvelles données de distribution angulaire étaient mieux décrites en supposant un doublet composé d'un état $2^+$ et d'un état $5^-$, bien que les attributions de spin définitives pour les composantes individuelles soient restées difficiles dans certaines régions de chevauchement. Ils ont également constaté que dans certains noyaux plus lourds comme le molybdène-96, les niveaux d'énergie sont si encombrés que les états individuels sont plus difficiles à distinguer, mais ils ont tout de même été capables d'extraire des informations significatives sur le comportement collectif des protons et des neutrons. Ce travail sert d'étape fondamentale, fournissant les données expérimentales nécessaires pour tester des modèles théoriques plus complexes. En établissant une image claire de la manière dont ces noyaux vibrent, la recherche approfondit notre compréhension de la force nucléaire et de la danse complexe des protons et des neutrons qui maintient ensemble la matière de l'univers.