Révéler les mystères de l’univers sous la peau d’un noyau atomique


On pense que les étoiles à neutrons massives entrant en collision dans l’espace sont capables de créer des métaux précieux tels que l’or et le platine. Les propriétés de ces étoiles sont encore une énigme, mais la réponse pourrait se trouver sous la peau de l’un des plus petits éléments constitutifs de la Terre – un noyau atomique de plomb. Faire en sorte que le noyau de l’atome révèle les secrets de la force forte qui régit l’intérieur des étoiles à neutrons s’est avéré difficile. Désormais, un nouveau modèle informatique de l’Université de technologie de Chalmers, en Suède, peut fournir des réponses.

Dans un article récemment publié dans la revue scientifique Physique naturelleles chercheurs de Chalmers présentent une percée dans le calcul du noyau atomique de l’élément plomb lourd et stable.

La force forte joue le rôle principal

Malgré l’énorme différence de taille entre un noyau atomique microscopique et une étoile à neutrons de plusieurs kilomètres de taille, c’est en grande partie la même physique qui régit leurs propriétés. Le dénominateur commun est la force forte qui maintient les particules – les protons et les neutrons – ensemble dans un noyau atomique. La même force empêche également une étoile à neutrons de s’effondrer. La force forte est fondamentale dans l’univers, mais elle est difficile à inclure dans les modèles informatiques, notamment lorsqu’il s’agit de noyaux atomiques lourds riches en neutrons tels que le plomb. Par conséquent, les chercheurs ont lutté avec de nombreuses questions sans réponse dans leurs calculs difficiles.

Un moyen fiable de faire des calculs

« Pour comprendre comment la force forte fonctionne dans la matière riche en neutrons, nous avons besoin de comparaisons significatives entre la théorie et l’expérience. En plus des observations faites en laboratoire et avec des télescopes, des simulations théoriques fiables sont donc également nécessaires. Notre percée signifie que nous avons été capable d’effectuer de tels calculs pour l’élément stable le plus lourd – le plomb », explique Andreas Ekström, professeur associé au département de physique de Chalmers et l’un des principaux auteurs de l’article.

Le nouveau modèle informatique de Chalmers, développé avec des collègues d’Amérique du Nord et d’Angleterre, montre désormais la voie à suivre. Il permet des prédictions de haute précision des propriétés de l’isotope* plomb-208 et de sa « peau neutronique ».

L’épaisseur de la peau compte

Ce sont les 126 neutrons du noyau atomique qui forment une enveloppe externe, que l’on peut décrire comme une peau. L’épaisseur de la peau est liée aux propriétés de la force forte. En prédisant l’épaisseur de la peau des neutrons, les connaissances peuvent augmenter sur le fonctionnement de la force forte, à la fois dans les noyaux atomiques et dans les étoiles à neutrons.

« Nous prévoyons que la peau des neutrons est étonnamment mince, ce qui peut fournir de nouvelles informations sur la force entre les neutrons. Un aspect révolutionnaire de notre modèle est qu’il fournit non seulement des prédictions, mais qu’il a également la capacité d’évaluer les marges d’erreur théoriques. Cela est crucial pour pouvoir faire des progrès scientifiques », déclare le directeur de recherche Christian Forssen, professeur au département de physique de Chalmers.

Modèle utilisé pour la propagation du coronavirus

Pour développer le nouveau modèle informatique, les chercheurs ont combiné des théories avec des données existantes issues d’études expérimentales. Les calculs complexes ont ensuite été combinés à une méthode statistique précédemment utilisée pour simuler la propagation possible du coronavirus.

Avec le nouveau modèle pour le plomb, il est maintenant possible d’évaluer différentes hypothèses sur la force forte. Le modèle permet également de faire des prédictions pour d’autres noyaux atomiques, du plus léger au plus lourd.

Cette percée pourrait conduire à des modèles beaucoup plus précis, par exemple, des étoiles à neutrons et à une meilleure connaissance de leur formation.

« L’objectif pour nous est de mieux comprendre comment la force forte se comporte à la fois dans les étoiles à neutrons et dans les noyaux atomiques. Cela rapproche la recherche d’un pas de plus pour comprendre comment, par exemple, l’or et d’autres éléments pourraient être créés dans les étoiles à neutrons- et en fin de compte, il s’agit de comprendre l’univers », explique Christian Forssen.

Au cours de l’étude, les chercheurs ont travaillé à l’Université de technologie de Chalmers en Suède, à l’Université de Durham au Royaume-Uni, à l’Université de Washington, au Laboratoire national d’Oak Ridge, à l’Université du Tennessee et au Laboratoire national d’Argonne aux États-Unis et à TRIUMF et à l’Université McGill au Canada.

*Isotope : Un isotope d’un élément est une variante avec un nombre spécifique de neutrons. Dans ce cas, il s’agit de l’isotope plomb-208 qui possède 126 neutrons (et 82 protons).

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