R-process nuclei in the rare-earth region above N=126 in Relativistic Hartree-Bogoliubov theory: A preponderance of shape-coexistence in nuclei
Cette étude utilise la théorie de Hartree-Bogoliubov relativiste pour étudier les noyaux au-delà de N=126, révélant que la coexistence de formes et la stabilité accrue dans la région riche en neutrons influencent de manière significative la nucléosynthèse du processus r et déplacent la ligne de goutte de neutrons.
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Au cœur de l'univers, là où les étoiles entrent en collision et où l'espace-temps ondule, une alchimie cosmique est à l'œuvre. Il s'agit du processus de capture neutronique rapide, ou processus r, un événement violent qui forge plus de la moitié de tous les éléments lourds en existence, de l'or d'une alliance à l'uranium d'une centrale nucléaire. Dans ces environnements extrêmes, les noyaux atomiques sont bombardés par un déluge de neutrons, les forçant à devenir de plus en plus lourds jusqu'à ce qu'ils deviennent instables et se désintègrent en les éléments que nous connaissons. Pour comprendre comment l'univers crée ces éléments lourds, les scientifiques doivent cartographier le paysage des noyaux atomiques, en particulier ceux qui sont incroyablement riches en neutrons et éloignés de la stabilité que l'on trouve dans la matière ordinaire. Une région critique pour cette étude se situe juste au-delà d'un « nombre magique » spécifique de neutrons, un point où la structure interne du noyau est particulièrement robuste. La question qui tourmente les physiciens depuis longtemps est de savoir comment ces noyaux se comportent lorsqu'ils sont poussés à leurs limites absolues, juste au bord de l'existence, là où ils ne peuvent plus retenir de neutrons supplémentaires.
Une étude récente du physicien M.M. Sharma, de l'Université de Koweït, porte un regard neuf sur cette région mystérieuse, en se concentrant sur les noyaux possédant plus de 126 neutrons. Ce sont les briques élémentaires qui forment finalement les éléments lourds présents dans le troisième pic d'abondance cosmique, autour d'un nombre de masse de 195. Le chercheur a exploré, à l'aide de simulations informatiques avancées basées sur la théorie de l'interaction des particules au niveau subatomique, les propriétés de l'état fondamental de ces noyaux exotiques. L'objectif était de voir comment la forme de ces cœurs atomiques change à mesure qu'ils absorbent de plus en plus de neutrons, et de déterminer où se situe réellement la limite de stabilité. En comparant trois modèles mathématiques différents des forces nucléaires, l'étude visait à trouver la méthode la plus précise pour prédire le comportement de la matière dans ces conditions extrêmes, une tâche actuellement impossible à réaliser en laboratoire car de tels noyaux sont trop éphémères pour être capturés et mesurés.
L'enquête a révélé qu'à mesure que ces noyaux accumulent des neutrons, ils ne restent pas simplement immobiles ; ils commencent à s'étirer et à changer de forme. Initialement sphériques, les noyaux commencent à s'allonger pour prendre une forme de ballon de football à mesure qu'ils gagnent des neutrons. Cependant, l'histoire ne s'arrête pas là. En ajoutant davantage de neutrons, les noyaux subissent une transformation spectaculaire, passant d'une forme étirée et allongée à une forme aplatie, semblable à une crêpe. Ce qui rend cette découverte particulièrement frappante est la prévalence de la « coexistence de formes ». Dans de nombreux de ces noyaux riches en neutrons, la forme allongée et la forme aplatie existent dans un état d'énergie quasi égale, ce qui signifie que le noyau peut essentiellement posséder les deux formes à la fois, ou passer de l'une à l'autre avec très peu d'effort. Ce phénomène est plus courant dans les éléments plus lourds du groupe des terres rares, où la compétition entre ces deux formes crée un paysage complexe et dynamique juste avant que le noyau n'atteigne son point de rupture.
Ce comportement de changement de forme a un effet profond sur la durée de survie de ces noyaux. L'étude a révélé que l'apparition de la déformation confère en réalité une stabilité supplémentaire aux noyaux, leur permettant de conserver des neutrons qu'ils perdraient autrement. Cet effet repousse la « ligne de goutte de neutrons » — la limite théorique où un noyau ne peut plus lier de nouveaux neutrons — bien plus loin qu'on ne l'avait prévu. Pour les éléments les plus lourds étudiés, cette limite s'étend jusqu'à un nouveau nombre magique de 184 neutrons, alors que pour les éléments plus légers du même groupe, la limite apparaît bien plus tôt. La recherche suggère que la capacité de ces noyaux à se déformer et à exister sous plusieurs formes simultanément agit comme une force stabilisante, étendant de fait les limites de la matière dans les régions riches en neutrons du tableau périodique.
Pour parvenir à ces conclusions, le chercheur a comparé les résultats de trois modèles théoriques différents, chacun utilisant un ensemble légèrement différent de règles pour décrire le fonctionnement des forces à l'intérieur du noyau. Un modèle, qui évite certaines interactions complexes entre les particules, s'est avéré être le plus cohérent avec les formules de masse établies utilisées par la communauté scientifique élargie. Ce modèle spécifique a prédit que la ligne de goutte de neutrons pour des éléments comme le hafnium atteint le nombre magique de 184, tandis que pour des éléments comme l'ytterbium, elle s'arrête court aux alentours de 172. En revanche, d'autres modèles prédisaient que la ligne de goutte serait atteinte beaucoup plus tôt, ou que les noyaux seraient nettement plus liés qu'ils ne le sont réellement. L'étude exclut explicitement l'idée que les effets de couche importants, qui rendent certains nombres de neutrons particulièrement stables, disparaissent à mesure que les noyaux deviennent plus extrêmes. Au contraire, les simulations montrent que ces effets de couche restent robustes, continuant de fournir une base solide au noyau même lorsqu'il approche de la limite de stabilité.
Les implications de ces découvertes remontent aux origines cosmiques des éléments. La forme d'un noyau influence la vitesse à laquelle il se désintègre, et la présence de coexistence de formes signifie que les taux de désintégration pourraient être différents de ce que l'on pensait ; si un noyau peut exister sous deux formes, sa durée de vie pourrait être un mélange des durées de vie des deux formes, modifiant potentiellement la vitesse à laquelle les éléments lourds sont synthétisés dans le cosmos. L'étude suggère que l'interaction entre déformation et stabilité crée une « crête » de stabilité supplémentaire dans la région riche en neutrons, créant un chemin permettant au processus r de voyager plus loin dans l'inconnu que ne le prédisent les modèles standards. Cela pourrait modifier considérablement notre compréhension de l'abondance des éléments lourds dans l'univers, particulièrement autour du troisième pic de distribution cosmique.
En fin de compte, ce travail offre une image plus claire du comportement de la matière dans les conditions les plus extrêmes imaginables. Il confirme que le noyau atomique n'est pas une sphère rigide et immuable, mais une entité fluide capable de changements de forme spectaculaires qui peuvent prolonger sa vie et altérer sa trajectoire à travers le cosmos. En identifiant les conditions spécifiques sous lesquelles ces formes coexistent et comment elles influencent la stabilité, l'étude propose une carte affinée pour les explorations futures du processus r. Bien que les résultats soient dérivés de simulations informatiques sophistiquées plutôt que d'observations directes, la cohérence des conclusions à travers différents modèles et leur alignement avec les formules de masse connues donnent à la communauté scientifique une base solide pour réviser la manière dont nous calculons la naissance des éléments lourds dans l'univers. La découverte de cette coexistence de formes généralisée près de la ligne de goutte de neutrons ajoute une nouvelle couche de complexité à notre compréhension de la physique nucléaire, suggérant que la capacité de l'univers à créer des éléments lourds est encore plus complexe et résiliente que ce que l'on avait imaginé.
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