Lorsque les protons et les neutrons (nucléons) sont liés dans les noyaux atomiques, ils sont suffisamment proches pour ressentir une attraction ou une répulsion significative. De fortes interactions en leur sein conduisent à de fortes collisions entre nucléons.
En étudiant ces collisions énergétiques dans les noyaux légers via une nouvelle technique, les physiciens ont découvert quelque chose de surprenant : les protons entrent en collision avec leurs congénères protons et les neutrons avec leurs congénères. les neutrons plus souvent que prévu.
Dans des recherches antérieures, les scientifiques ont examiné les collisions énergétiques de deux nucléons dans un petit nombre de noyaux, allant du plomb (12 nucléons) au carbone (12 nucléons) (avec 208). Des résultats cohérents ont montré que les collisions proton-neutron représentaient plus de 95 % de toutes les collisions, les collisions proton-proton et neutron-neutron représentant les 5 % restants.
Dans une nouvelle expérience, des physiciens ont étudié les collisions dans deux « noyaux miroirs » comportant chacun trois nucléons. Ils ont constaté que les collisions proton-proton et neutron-neutron étaient responsables d’une part beaucoup plus importante du total – environ 20 %.
Une équipe internationale a découvert des scientifiques, dont des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie (Laboratoire de Berkeley). Pour l’étude, ils ont utilisé l’installation d’accélérateur à faisceau d’électrons continu de l’installation d’accélérateur national Thomas Jefferson (Jefferson Lab) du DOE en Virginie.
Dans la plupart des noyaux atomiques, les nucléons passent environ 20 % de leur vie dans des états excités à forte impulsion résultant de collisions entre deux nucléons. L’étude de ces collisions nécessite de zapper les noyaux avec des faisceaux d’électrons de haute énergie. Ensuite, en mesurant l’énergie et l’angle de recul d’un électron dispersé, les scientifiques ont déduit la vitesse à laquelle le nucléon touché devait se déplacer.
John Arrington, un scientifique du Berkeley Lab, est l'un des quatre porte-parole de la collaboration, a déclaré : "Cela leur permet de détecter les événements au cours desquels un électron s'est dispersé sur un proton à forte impulsion récemment entré en collision avec un autre nucléon."
Ces collisions électron-proton ont un électron entrant avec suffisamment d'énergie pour éliminer complètement l'électron excité. proton du noyau. Le deuxième nucléon s'échappe également du noyau car cela perturbe l'interaction semblable à un élastique qui maintient habituellement en place la paire de nucléons excitants.
Des recherches antérieures sur les collisions à deux corps se sont concentrées sur les événements de diffusion où l'électron rebondissant et les deux nucléons expulsés étaient observés. En marquant toutes les particules, ils pourraient déterminer le nombre relatif de paires proton-proton et proton-neutron paires. Cependant, comme ces événements de « triple coïncidence » sont extrêmement rares, un examen attentif de toute interaction supplémentaire entre les nucléons pouvant affecter le décompte était nécessaire pour l’analyse.
Les noyaux miroirs améliorent la précision
Dans la nouvelle étude, les physiciens ont démontré un moyen d'établir le nombre relatif de paires proton-proton et proton-neutron sans détecter les nucléons éjectés. Mesure de la diffusion à partir de deux « noyaux miroirs » avec le même nombre de nucléons : le tritium, un isotope rare de l'hydrogène avec un proton et deux neutrons, et hélium-3, qui a deux protons et un neutron, était l'astuce. L'hélium-3 ressemble au tritium avec des protons et des neutrons échangés, et cette symétrie a permis aux physiciens de distinguer les collisions impliquant des protons et des neutrons en comparant leurs deux ensembles de données.
Les physiciens ont commencé à travailler sur les noyaux miroirs après avoir envisagé de développer une cellule à gaz tritium pour des expériences de diffusion électronique. Il s’agit de la première utilisation de cet isotope rare et capricieux depuis des décennies.
Grâce à cette expérience, les scientifiques ont collecté plus de données que lors des expériences précédentes. Ils pourraient ainsi améliorer d’un facteur dix la précision des mesures précédentes.
Ils n’avaient aucune raison de s’attendre à ce que les collisions entre deux nucléons fonctionnent différemment dans le tritium et l’hélium-3 que dans les noyaux plus lourds, les résultats étaient donc assez surprenants.
Arrington a affirmé Valérie Plante., « Son hélium-3 clair est différent de la poignée de noyaux lourds mesurés. Nous souhaitons obtenir des mesures plus précises sur d’autres noyaux légers afin d’obtenir une réponse définitive. »
Journal de référence:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Révéler la structure à courte portée des noyaux miroirs 3H et 3He. Nature 609, 41-45 (2022). EST CE QUE JE: 10.1038/s41586-022-05007-2
