Evolution of high-spin states in neutron-rich Au isotopes approaching the shell closure
Cet article étudie l'évolution des états à haut spin et caractérise les configurations sous-jacentes du modèle en couches dans les isotopes de Au riches en neutrons près de la fermeture de la couche N=126} en utilisant des réactions de transfert multinucléon et une spectroscopie de rayons prompt et retardé avancée.
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Au plus profond du cœur de chaque atome se trouve un noyau, un amas dense de protons et de neutrons maintenus ensemble par des forces qui défient notre intuition quotidienne. Depuis des décennies, les physiciens cartographient le paysage de ces noyaux, découvrant qu'ils ne sont pas des amas aléatoires de particules mais des structures hautement organisées avec des niveaux d'énergie distincts, semblables aux échelons d'une échelle. Certains nombres de protons ou de neutrons créent des configurations particulièrement stables, appelées « nombres magiques », qui agissent comme le socle solide du monde nucléaire. L'un de ces socles se trouve au niveau de l'élément plomb, spécifiquement l'isotope possédant 82 protons et 126 neutrons, un noyau doublement magique qui sert de point de référence crucial pour comprendre comment la matière se comporte lorsqu'elle est poussée à ses limites. Juste à gauche de cette île de stabilité, dans la région de l'or, les scientifiques s'intéressent à ce qui se passe lorsque l'on ajoute un grand nombre de neutrons. Ces isotopes d'or riches en neutrons sont rares et difficiles à créer, pourtant ils détiennent la clé pour comprendre comment les éléments lourds sont forgés dans les explosions violentes des étoiles et comment les atomes les plus massifs de l'univers sont assemblés.
Une équipe de chercheurs a récemment tourné son attention vers cette région insaisissable, se concentrant sur une série d'isotopes d'or allant de la masse 195 à 202. Ces versions spécifiques d'or sont riches en neutrons, ce qui signifie qu'elles portent plus de neutrons que l'or stable trouvé dans la bijouterie, et elles se situent juste avant la fermeture de la couche à 126 neutrons. Les scientifiques voulaient voir comment la structure interne de ces atomes change à mesure qu'ils approchent de ce nombre magique. Plus précisément, ils cherchaient des états de haute énergie où le noyau tourne rapidement, une condition qui révèle comment les protons et les neutrons individuels s'organisent et interagissent. En étudiant ces états de rotation, l'équipe espérait tester les modèles théoriques qui prédisent le comportement des noyaux atomiques et affiner notre compréhension des forces qui les lient.
Pour obtenir un aperçu de ces atomes riches en neutrons, aussi fugaces soient-ils, les chercheurs ont dû les créer dans un environnement contrôlé. Ils ont utilisé un puissant accélérateur de particules pour projeter un faisceau d'ions de xénon lourds sur une cible de platine. Lorsque ces deux noyaux lourds entraient en collision, ils ne se contentaient pas de rebondir l'un sur l'autre ; ils échangeaient plutôt un essaim de protons et de neutrons dans un processus connu sous le nom de transfert multinucleon. Cette collision agissait comme un échange rapide, troquant des morceaux entre les deux atomes pour créer de nouveaux isotopes d'or instables qui n'existent pas naturellement sur Terre. L'expérience s'est déroulée dans une installation en France, où un réseau sophistiqué de détecteurs se tenait prêt à capturer les suites immédiates de ces collisions. Le dispositif comprenait un grand spectromètre magnétique pour trier les fragments résultants selon leur masse et leur charge, ainsi qu'une caméra gamma de haute précision pour enregistrer la lumière émise lorsque les nouveaux atomes reviennent à l'équilibre après leurs états excités.
L'équipe a réussi à identifier et à étudier huit isotopes d'or différents, de 195 à 202. Pour les isotopes de nombre impair, ils ont observé un motif familier : un état spécifique où le noyau tourne à un rythme modéré, suivi d'une série d'états de spin plus élevés qui forment une bande. Cependant, ils ont découvert quelque chose d'inattendu en examinant les isotopes les plus lourds, spécifiquement ceux possédant exactement 119 neutrons. Dans ces atomes, les niveaux d'énergie des états de rotation chutent de manière significative par rapport à la tendance fluide prédite par les théories existantes. C'était comme si l'échelle d'énergie présentait un creux soudain à un échelon spécifique, une caractéristique apparue de manière constante tant dans les isotopes d'or que chez leurs cousins mercure voisins. Ce creux suggère un changement subtil mais important de la structure interne du noyau à ce nombre précis de neutrons, un détail que les modèles informatiques actuels ne parviennent pas à reproduire.
Les chercheurs ont également découvert de nouveaux états de longue durée dans les isotopes d'or les plus lourds, 199 et 201. Ces états, que l'équipe a identifiés comme ayant un spin de 25/2, agissaient comme des points de maintien temporaires avant que le noyau ne libère son énergie. Dans les isotopes d'or plus légers, des états similaires se désintégraient presque instantanément, mais dans ces versions plus lourdes, ils perduraient pendant des fractions de milliseconde. Cette différence de comportement fournissait un signal clair que l'arrangement des protons et des neutrons change à mesure que le noyau s'alourdit. De plus, l'équipe a remarqué qu'un type spécifique de motif de rotation, qui avait été observé dans les isotopes d'or plus légers, disparaissait complètement dans les plus lourds. Cette disparition n'était pas un mystère mais une confirmation de la théorie ; à mesure que le nombre de neutrons augmentait, l'énergie requise pour maintenir ce motif spécifique devenait trop élevée, le rendant de fait inobservable.
Pour donner un sens à ces observations, les scientifiques ont lancé de massives simulations informatiques basées sur le modèle en couches, une théorie qui traite les protons et les neutrons comme se déplaçant dans des orbites spécifiques au sein du noyau. Les simulations correspondaient généralement aux données expérimentales, confirmant que les états de spin élevé sont pilotés par le mouvement des protons et des neutrons dans des orbites de haute énergie spécifiques. Les calculs ont montré qu'à mesure que le noyau tourne de plus en plus vite, les protons et les neutrons alignent leurs spins de manière coordonnée, contribuant à la rotation globale. Cependant, les simulations peinaient à expliquer la chute soudaine des niveaux d'énergie à 119 neutrons. Si les modèles pouvaient prédire la tendance générale, ils manquaient ce creux spécifique, indiquant qu'une pièce du puzzle concernant la façon dont ces particules interagissent à ce point précis est encore manquante.
L'étude a également mis en lumière les rôles joués par les protons et les neutrons dans la création de ces états de spin élevé. Dans les isotopes d'or plus légers, les protons étaient les principaux moteurs du spin, contribuant de manière constante au moment cinétique. Mais à mesure que les isotopes devenaient plus lourds et approchaient de la limite des 126 neutrons, les neutrons commençaient à prendre le relais. Dans les isotopes les plus lourds étudiés, les neutrons contribuaient davantage au spin que les protons, marquant un changement distinct dans la dynamique nucléaire. Ce basculement de pouvoir suggère que l'équilibre au sein du noyau change à mesure qu'il se remplit de neutrons, altérant le comportement de l'atome dans des conditions extrêmes.
En fin de compte, ce travail offre une image plus claire du paysage nucléaire près de la limite de stabilité. En cartographiant les niveaux d'énergie et les états de spin de ces rares isotopes d'or, les chercheurs ont fourni un test rigoureux pour les théories décrivant la construction des noyaux atomiques. La découverte du creux d'énergie à 119 neutrons et le changement des contributions de spin offrent de nouveaux indices sur les forces en jeu à l'intérieur de l'atome. Bien que les modèles actuels expliquent une grande partie de ce qui a été observé, le crement inexpliqué reste une question ouverte, invitant à de nouvelles investigations. Cette recherche approfondit non seulement notre compréhension de l'atome d'or lui-même, mais affine également les outils que les scientifiques utilisent pour retracer les origines des éléments lourds dans le cosmos, nous rapprochant un peu plus de la compréhension de l'architecture fondamentale de la matière.
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