Singular observation of shape and spin hindrance in metastable nuclear decay of $^{197}$Au

Au cœur de chaque atome se trouve un noyau, un amas étroitement compacté de protons et de neutrons qui se comporte généralement avec une simplicité prévisible. Lorsque ces noyaux sont excités, ils libèrent habituellement leur énergie supplémentaire presque instantanément, la dissipant en une fraction de seconde. Cependant, la nature crée parfois une exception rare : un isomère nucléaire. Il s'agit d'un état où le noyau reste bloqué, conservant son énergie pendant une durée étonnamment longue, parfois des secondes ou même des années. Ce retard se produit parce que le noyau a changé de forme ou de spin d'une manière qui rend son retour à un état plus calme très difficile. Les scientifiques étudient ces états obstinés car ils agissent comme des sondes sensibles, révélant comment les blocs fondamentaux de la matière interagissent et comment les règles du monde quantique façonnent l'univers physique.

Depuis des décennies, les chercheurs savent qu'il existe deux raisons principales pour lesquelles un noyau pourrait rester bloqué. Parfois, le noyau change de forme physique, comme une balle s'étirant pour devenir un ballon de football, et l'énergie requise pour le faire reprendre sa forme initiale est trop élevée. D'autres fois, le noyau tourne si vite ou dans une direction si spécifique qu'il ne peut pas facilement ralentir sans enfreindre les règles de la physique. Jusqu'à présent, ces deux raisons de retard étaient considérées comme des phénomènes distincts, se produisant dans différents types d'atomes. Une équipe de physiciens a maintenant découvert un cas unique où ces deux raisons se produisent simultanément dans un seul atome, créant un puzzle complexe qui défie notre compréhension actuelle de la façon dont les noyaux atomiques sont construits.

Les chercheurs ont concentré leur attention sur l'or, plus précisément l'isotope stable or-197. Bien que l'or soit un métal familier, son noyau atomique peut être poussé vers un état excité à l'aide de faisceaux de particules de haute énergie. Lors d'expériences menées à l'accélérateur ATLAS dans l'Illinois, les scientifiques ont projeté des faisceaux d'atomes lourds sur une feuille d'or épaisse pour secouer les noyaux d'or vers ces états de haute énergie. Ils ont ensuite attendu, utilisant des détecteurs hautement sensibles pour écouter les faibles signaux des rayons gamma — la lumière émise lorsque le noyau se relaxe enfin. En mesurant soigneusement ces signaux, ils ont pu identifier un nouvel état à longue durée de vie au sein du noyau d'or, qui n'avait jamais été vu auparavant.

Ce nouvel état se situe à un niveau d'énergie de 2102 kiloelectronvolts et possède une valeur de spin de 29/2, une mesure de son moment cinétique. Ce qui rend cette découverte remarquable, c'est la manière dont le noyau décide de libérer son énergie. Au lieu de prendre un chemin unique et direct, il est confronté à un étrange dilemme. Il peut libérer de l'énergie en changeant de forme, un processus qui est habituellement efficace, mais dans ce cas, ce chemin est fortement bloqué. Simultanément, il peut libérer de l'énergie en ralentissant sa rotation, un processus qui se déroule normalement avec une force de quasi-particule unique, pourtant ici, il entre en compétition avec le changement de forme bloqué. Le noyau finit par diviser sa désintégration en deux branches concurrentes : l'une est fortement entravée par un changement de forme, et l'autre suit un chemin lié au spin avec une intensité comparable, malgré la coexistence inhabituelle de ces mécanismes.

L'équipe a mesuré la durée de vie de cet état comme étant supérieure à dix secondes, ce qui est une éternité dans le monde de la physique nucléaire. Ils ont observé que le noyau émet un rayon gamma avec une énergie de 266,6 kiloelectronvolts lorsqu'il descend vers un niveau d'énergie inférieur. Cette émission spécifique est un type de transition qui est normalement très rare et lente, pourtant elle entre en compétition directe avec une transition de changement de forme beaucoup plus faible qui est presque complètement supprimée. Cette coexistence inhabituelle d'un changement de forme bloqué et d'un changement de spin concurrent n'a jamais été observée auparavant dans un état nucléaire de longue durée de vie. Cela suggère que le noyau d'or est pris entre deux réalités structurelles différentes, incapable de s'engager pleinement dans l'une ou l'autre.

Pour comprendre pourquoi cela se produit, les scientifiques ont lancé des simulations informatiques détaillées en utilisant deux modèles différents de structure nucléaire. Un modèle traitait le noyau comme un objet déformé et en rotation, tandis que l'autre examinait les particules individuelles à l'intérieur. Les deux modèles sont d'accord sur le fait que le noyau possède une forme aplatie modérée, mais ils ont également révélé un conflit. Les calculs ont montré que la transition impliquant le changement de forme devrait être beaucoup plus forte que ce qui a été observé, tandis que la transition liée au spin correspondait mieux aux données. Cette divergence indique que les modèles simples omettent quelque chose d'important concernant la façon dont la forme et les particules individuelles se mélangent dans cet état spécifique. Les résultats suggèrent que même près des régions stables et bien comprises du tableau périodique, le comportement des noyaux atomiques peut être bien plus complexe qu'on ne le pensait.

Cette découverte est significative car elle force une réévaluation de la manière dont les scientifiques décrivent la vie interne d'un atome. Les théories actuelles traitent souvent la forme collective d'un noyau et le comportement de ses particules individuelles comme des récits distincts. L'isomère de l'or-197 montre que ces récits sont profondément entrelacés, la forme entravant la désintégration tandis que la transition liée au spin se poursuit avec une force de quasi-particule unique. Cela crée un point de référence unique pour tester les théories modernes, car tout modèle réussi doit désormais être capable d'expliquer comment ces deux types différents de résistance fonctionnent ensemble dans un seul atome. Cette découverte ne se contente pas d'ajouter une nouvelle entrée à une liste d'états nucléaires ; elle ouvre une fenêtre sur l'interaction complexe entre le mouvement collectif du noyau et la mécanique quantique de ses constituants, prouvant que même dans le domaine familier de l'or, il reste des mystères profonds à résoudre.