A novel projected shell model method for nuclear level density

Au cœur de chaque atome se trouve un monde animé et chaotique où les protons et les neutrons s'entassent, liés par des forces qui défient notre intuition quotidienne. Pour les scientifiques qui étudient la façon dont les étoiles forgent de nouveaux éléments ou comment les réacteurs nucléaires génèrent de l'énergie, une information cruciale est nécessaire : de combien de façons différentes ces minuscules particules peuvent-elles s'organiser à différents niveaux d'énergie ? Ce décompte, connu sous le nom de densité de niveaux nucléaires, agit comme une carte pour prédire comment les atomes se comporteront lorsqu'ils entrent en collision ou absorbent de l'énergie. Sans une carte précise, notre compréhension des explosions cosmiques ou de la sécurité de la gestion des déchets nucléaires reste incomplète. Pendant des décennies, les chercheurs se sont appuyés sur des suppositions statistiques pour combler les lacunes là où les mesures directes sont impossibles, en supposant qu'à mesure que l'énergie augmente, le nombre de configurations possibles croît simplement selon une courbe lisse et prévisible. Cependant, la véritable structure du noyau atomique est bien plus complexe qu'un simple gaz de particules, et les détails de la manière dont ces particules s'apparient et se séparent sont restés un mystère dans les zones de haute énergie qui sont difficiles à sonder.

Une équipe de chercheurs de l'Université Jiao Tong de Shanghai et de l'Université du Sud-Ouest a maintenant levé une couche de ce mystère en appliquant une nouvelle méthode de calcul puissante à un atome spécifique et bien étudié : le dysprosium-164. Il s'agit d'un noyau lourd et stable qui est naturellement déformé, ce qui signifie qu'il a une forme plus proche d'un ballon de rugby que d'une sphère parfaite. Les scientifiques ont utilisé une technique appelée le modèle de la couche projetée, qui traite le noyau non pas comme une masse lisse, mais comme une collection de particules individuelles qui peuvent s'associer par paires ou se séparer. En construisant une vaste bibliothèque de configurations possibles — allant de paires simples à des groupes complexes allant jusqu'à six paires brisées — ils ont pu résoudre les équations régissant les états énergétiques du noyau avec une précision auparavant impossible pour un système aussi lourd. La clé de leur succès a été une percée dans les algorithmes informatiques qui leur a permis de gérer l'immense complexité de ces interactions sans avoir à simplifier la physique.

Lorsque les chercheurs ont comparé leurs résultats calculés aux données expérimentales connues, la correspondance était d'une perfection frappante pour les niveaux d'énergie inférieurs, confirmant que leur méthode identifiait correctement les arrangements spécifiques de particules qui avaient déjà été observés en laboratoire. Mais c'est dans les plages d'énergie plus élevées, là où le noyau commence à briser ses paires internes, que l'étude a révélé quelque chose d'entièrement nouveau. Contrairement à la croyance de longue date selon laquelle le nombre d'états possibles devrait commencer à croître de manière exponentielle dès que la première paire de particules se brise, les données ont montré une pause distincte. Dans la plage d'énergie comprise entre 2,3 et 4,0 millions d'électron-volts, la croissance de ces états s'est aplatie en un plateau, créant une structure en escalier plutôt qu'une pente lisse. Cette région plate suggère que le noyau résiste au changement de sa structure immédiatement après la rupture de la première paire, attendant plutôt qu'une seconde paire se brise simultanément avant que le nombre d'états disponibles n'explose à nouveau.

Cette découverte remet en question la vision classique des manuels sur le comportement des noyaux atomiques sous contrainte. Les chercheurs ont constaté que le saut soudain du nombre d'états possibles ne se produit pas graduellement ; au lieu de cela, il est retardé jusqu'à ce qu'une paire de neutrons et une paire de protons se brisent en même temps, créant une nouvelle configuration plus complexe. Ce retard crée une « fenêtre » d'énergie spécifique où la structure du noyau est exceptionnellement stable, une caractéristique qui pourrait modifier considérablement la façon dont les scientifiques calculent la probabilité que les atomes capturent des neutrons — un processus vital pour comprendre comment les éléments lourds sont créés dans l'univers. L'étude a également examiné la manière dont le « spin », ou la vitesse de rotation, de ces états nucléaires est distribuée. Alors que les théories plus anciennes suggéraient que cette distribution suit une courbe lisse en forme de cloche à toutes les hautes énergies, les nouveaux calculs montrent que ce motif n'émerge que lorsque le noyau atteint un état véritablement chaotique à des énergies très élevées. En dessous de ce seuil, la distribution est irrégulière et dépend fortement de la manière spécifique dont les particules sont appariées, prouvant que la structure interne du noyau laisse une empreinte digitale claire même dans ses moments les plus énergétiques.

Les implications de ce travail vont au-delà de la simple correction d'une courbe sur un graphique. En démontrant que la croissance des états nucléaires n'est pas une ascension simple et continue, mais qu'elle est marquée par des étapes et des pauses distinctes, l'étude suggère que les modèles actuels utilisés en ingénierie nucléaire et en astrophysique pourraient nécessiter une révision. Si le nombre d'états disponibles est plus faible que prévu dans certaines plages d'énergie, les calculs sur la rapidité avec laquelle les réactions nucléaires se produisent pourraient changer, affectant potentiellement les prédictions pour tout, de la vie des étoiles à la conception de futurs isotopes médicaux. Les chercheurs n'ont pas seulement trouvé un nouveau chiffre ; ils ont révélé un rythme caché dans la façon dont les noyaux atomiques s'organisent, montrant que même dans les environnements les plus chaotiques, la nature suit une logique structurée, étape par étape, qui peut maintenant être vue clairement pour la première fois.