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Vers de nouveaux nombres magiques exotiques ?

Dernière mise à jour : mardi 3 avril 2018, par Nicolas Busser

Nous pensons avoir trouvé la première preuve expérimentale de l’effet des symétries géométriques (solides de Platon) au niveau subatomique, ouvrant ainsi la voie à l’identification d’états nucléaires plus stables d’importance astrophysique.
J. Dudek, D. Curien, et al.
IPHC, CNRS / Unistra – Strasbourg

PHYSICAL REVIEW C 97, 021302(R) (2018)

Les symétries géométriques des solides sont connues depuis l’époque de Platon qui en lista les principales caractéristiques. En physique moléculaire, grâce à la théorie mathématique des groupes, elles sont couramment utilisée depuis longtemps pour décrire les propriétés statiques et dynamiques des molécules, déterminées par les interactions électromagnétiques (ex : le méthane - CH4 - de symétrie tétraédrique). En physique subatomique, il est soupçonné depuis une dizaine d’années qu’elles puissent être à l’origine d’un surcroît de stabilité du noyau, qui est gouverné quant à lui par les interactions fortes. Les modélisations réalistes de ces propriétés indiquent que les noyaux atomiques avec des nombres de protons, Z, et de neutrons, N, égaux aux nouveaux nombres dits « magiques » Z, N = 20, 32, 40, 56, 70, 90 et N = 112, 136, 142, sont prédits comme étant particulièrement stables, ces noyaux prenant alors des formes tétraédrique et octaédrique.

Une telle stabilité accrue pourrait conduire à des états isomériques excités de longue durée de vie. Cette découverte serait alors aussi importante que celle des isomères de fissions il y a de plus d’un demi-siècle.

Usuellement, il est bien connu que la vaste majorité des noyaux adoptent des déformations « traditionnelles » présentant une symétrie d’ellipsoïde afin de minimiser leur énergie. Quand ils sont soumis à la rotation, ces noyaux émettent alors des radiations électromagnétiques gamma du type dipôle et quadrupole qui sont particulièrement fortes. Mais pour les tétraèdres et octaèdre nucléaires dans le cas idéal, de telles transitions sont interdites à cause des propriétés de ces symétries exotiques. Les états correspondants, une fois excités, pourraient alors ainsi vivre de 8 à 9 ordres de magnitude plus longtemps que les états des noyaux de déformation « normale » qui décroissent très rapidement.

Cela serait le cas pour les états fondamentaux de certains noyaux dits « exotiques » loin de la ligne de stabilité nucléaire. Dès lors, cette durée de vie prolongée des états excités de symétries de « haut-rang » (symétries tétraédrique et octaédrique) pourrait alors servir de passerelles afin de pouvoir produire et étudier ces noyaux exotiques autrement très difficilement accessibles au laboratoire.
De plus, si de tels états étaient produits naturellement dans la matière stellaire, ils pourraient considérablement influencer son contenu nucléaire et ses propriétés d’équilibre, conduisant à de nouvelles phases et/ou une évolution stellaire différente (ex. nouveaux noyaux dits « waiting point » du processus R en nucléosynthèse ; nouvelles prédictions pour la synthèse des éléments superlourds).

La première preuve expérimentale rapportée dans notre publication pour le noyau de 152Sm (isotope de samarium) peut ainsi ouvrir le champ à une meilleure compréhension du noyau atomique, dont un aspect spectaculaire de la nucléosynthèse a été récemment mis en évidence, en août 2017, lors de la détection grâce aux ondes gravitationnelles de la coalescence extragalactique de deux étoiles à neutrons.

Références : Spectroscopic criteria for identification of nuclear tetrahedral and octahedral symmetries : Illustration on a rare earth nucleus.
J. Dudek, D. Curien, I. Dedes, K. Mazurek, S. Tagami, Y. R. Shimizu, and T. Bhattacharjee
Phys. Rev. C 97, 021302(R) – Published 12 February 2018
DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevC.97.021302

Contacts : Dominique CURIEN, Jerzy DUDEK

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De gauche à droite : illustration des formes de symétrie tétraédrique nucléaire manifestant une déformation tétraédrique de plus en plus forte. Ces formes sont invariantes sous exactement les mêmes opérations de symétrie que les pyramides de Platon.

Droite : illustration réaliste de la probabilité de trouver le nucléon numéro 7 dans la première couche nucléaire de symétrie octaédrique comprenant 20 nucléons. Gauche : la probabilité cumulative analogue pour les nucléons 1,2, … jusqu’à 7 ; les différentes couleurs distinguent les différents nucléons.