Shape coexisting intruder states in even Sn isotopes and their influence on the $B_{4/2}<1$ anomaly

Au plus profond du cœur de chaque atome se trouve un noyau, un amas dense de protons et de neutrons qui se comporte moins comme une boule d'argile statique que comme une goutte de liquide capable de s'étirer, de s'écraser et de vibrer. Pendant des décennies, les physiciens ont étudié ces minuscules cœurs pour comprendre comment ils tiennent ensemble et comment ils changent de forme. L'un des puzzles les plus fascinants dans ce domaine implique des atomes qui semblent exister sous deux formes différentes en même temps. Imaginez un noyau qui peut être parfaitement rond, comme une bille de billard, puis soudainement s'étirer pour prendre une forme de ballon de football sans changer son nombre de particules. Ce phénomène, connu sous le nom de coexistence de formes, défie notre compréhension de la manière dont la matière s'organise aux plus petites échelles. Les scientifiques se concentrent sur une famille spécifique d'atomes appelés isotopes de l'étain car ils offrent une chaîne longue et stable d'exemples où ces changements de forme peuvent être observés et mesurés. En étudiant comment ces atomes transitent entre leurs différentes formes, les chercheurs espèrent découvrir les règles fondamentales qui régissent la structure de toute la matière.

Dans une étude récente, une équipe de physiciens a porté son attention sur un groupe spécifique d'atomes d'étain, allant des versions les plus légères avec des nombres de masse de 114 jusqu'aux plus lourdes avec un nombre de masse de 122. Ils étaient particulièrement intéressés par une étrange anomalie signalée dans certains de ces atomes : une mesure suggérant que le noyau se comportait d'une manière qui défiait les attentes standards. Plus précisément, lorsque ces atomes passaient d'un niveau d'énergie à un autre, la probabilité du saut ne suivait pas le schéma fluide observé dans d'autres éléments. Au lieu de cela, les chiffres tombaient en dessous d'un seuil critique, suggérant que la structure interne de l'atome changeait de manière plus radicale que ce que tout le monde avait prédit. Pour résoudre ce mystère, les chercheurs ont construit un modèle mathématique qui traite le noyau non pas comme une collection de particules individuelles, mais comme un objet unique se déplaçant à travers un paysage d'énergie. Ils ont imaginé ce paysage comme une vallée avec deux creux distincts, ou puits. Un creux représente une forme ronde, sphérique, tandis que l'autre représente une forme étirée, déformée. Le noyau peut se stabiliser dans l'un ou l'autre des creux, ou peut exister dans un état qui est un mélange des deux.

Les chercheurs ont utilisé ce paysage à double puits pour simuler le comportement des atomes d'étain, en ajustant la forme de la vallée pour voir s'ils pouvaient reproduire les niveaux d'énergie réellement mesurés en laboratoire. Ils ont découvert qu'en ajustant soigneusement la profondeur et la largeur de ces deux creux, leur modèle pouvait correspondre précisément aux données expérimentales pour les différents isotopes de l'étain. Les simulations ont révélé que les atomes les plus légers et les plus lourds du groupe, tels que ceux ayant des nombres de masse 114 et 122, se comportent très différemment de ceux du milieu. Dans les atomes les plus légers, le noyau commence par une forme presque ronde mais, à mesure qu'il gagne en énergie et tourne plus vite, il subit un passage soudain et spectaculaire vers une forme hautement étirée. Ce changement brusque de structure signifie que l'onde décrivant l'état rond et l'onde décrivant l'état étiré ne se chevauchent pas bien. Parce que ces deux formes sont si différentes, l'atome peine à effectuer la transition entre elles, ce qui entraîne les valeurs de probabilité exceptionnellement basses qui ont intrigué les scientifiques.

Pour les atomes les plus lourds avec des nombres de masse 120 et 122, la situation est légèrement différente mais mène à un résultat similaire. Ici, le noyau existe dans un état où les formes ronde et étirée sont presque également probables, créant une personnalité partagée où l'atome est simultanément dans deux configurations très différentes. Cette dualité perturbe également la transition entre les niveaux d'énergie, faisant chuter la probabilité près du même seuil bas. Les atomes au milieu du groupe, avec les nombres de masse 116 et 118, montrent un comportement plus mélangé où les deux formes fusionnent plus harmonieusement, évitant la chute brutale de probabilité. L'étude a également examiné comment ces formes se mélangent les unes aux autres. Dans certains cas, les configurations rondes et étirées restent distinctes et séparées, un phénomène connu sous le nom de coexistence de formes sans mélange. Dans d'autres cas, elles se fondent ensemble. Les chercheurs ont découvert que la manière spécifique dont ces formes se mélangent ou restent séparées est ce qui détermine la force des transitions entre les niveaux d'énergie.

En faisant correspondre avec succès leur modèle aux données du monde réel, l'équipe a fourni une explication claire pour les mesures anormales. Ils ont démontré que la chute étrange de la probabilité de transition n'est pas une erreur aléatoire ou le signe d'une théorie brisée, mais une conséquence directe du fait que le noyau change de forme trop rapidement ou existe dans deux formes conflictuantes à la fois. L'étude confirme que les états fondamentaux de ces atomes d'étain sont presque sphériques, tandis que leurs états excités sont bien déformés. La clé de l'anomalie réside dans l'état où l'atome possède le spin le plus élevé dans le groupe principal, lequel agit comme un pont entre les mondes rond et étiré. Lorsque ce pont est construit sur une fondation de deux formes très différentes, la connexion devient faible, et la probabilité de transition chute. Ce travail offre une carte détaillée de la façon dont les formes nucléaires évoluent à travers une chaîne d'éléments, montrant que l'architecture interne d'un atome peut changer radicalement avec l'ajout de seulement quelques particules, remodelant notre compréhension des forces qui maintiennent ensemble le noyau atomique.