Un cas de masse manquante résolu
Une équipe de chercheurs, comprenant des scientifiques du National Superconducting Cyclotron Laboratory, ou NSCL, et de la Facility for Rare Isotope Beams, ou FRIB, de la Michigan State University, a résolu le cas de la masse manquante du zirconium-80.
Pour être juste, ils ont également cassé l’affaire. Les expérimentateurs ont montré que le zirconium-80 – un atome de zirconium avec 40 protons et 40 neutrons dans son noyau ou noyau – est plus léger que prévu, en utilisant la capacité inégalée de NSCL à créer des isotopes rares et à les analyser. Ensuite, les théoriciens du FRIB ont pu expliquer cette pièce manquante à l’aide de modèles nucléaires avancés et de nouvelles méthodes statistiques.
« L’interaction entre les théoriciens nucléaires et les expérimentateurs est comme une danse coordonnée », a déclaré Alec Hamaker, assistant de recherche diplômé et premier auteur de l’étude que l’équipe a publiée le 25 novembre dans la revue Nature Physics. « Chacun à tour de rôle mène et suit l’autre. »
« Parfois, la théorie fait des prédictions à l’avance, et d’autres fois, les expériences trouvent des choses auxquelles on ne s’attendait pas », a déclaré Ryan Ringle, scientifique principal du laboratoire FRIB, qui faisait partie du groupe qui a effectué la mesure de la masse du zirconium-80. Ringle est également professeur agrégé adjoint de physique au FRIB et au département de physique et d’astronomie de la MSU au College of Natural Science.
« Ils se poussent et cela se traduit par une meilleure compréhension du noyau, qui constitue essentiellement tout ce avec quoi nous interagissons », a-t-il déclaré.
Cette histoire est donc plus grande qu’un noyau. D’une certaine manière, c’est un aperçu de la puissance de FRIB, une installation d’utilisateurs de sciences nucléaires soutenue par l’Office of Nuclear Physics du département américain de l’Énergie Office of Science.
Lorsque les opérations des utilisateurs commenceront l’année prochaine, les scientifiques nucléaires du monde entier auront la chance de travailler avec la technologie de FRIB pour créer des isotopes rares qu’il serait impossible d’étudier ailleurs. Ils auront également l’opportunité de travailler avec les experts du FRIB pour comprendre les résultats de ces études et leurs implications. Ces connaissances ont de nombreuses applications, allant d’aider les scientifiques à mieux comprendre l’univers à l’amélioration des traitements contre le cancer.
« Alors que nous avançons dans l’ère FRIB, nous pouvons effectuer des mesures comme nous l’avons fait ici et bien plus encore », a déclaré Ringle. « Nous pouvons aller plus loin. Il y a suffisamment de capacités ici pour nous permettre d’apprendre pendant des décennies.
Cela dit, le zirconium-80 est un noyau vraiment intéressant à part entière.
Pour commencer, c’est un noyau difficile à fabriquer, mais la fabrication de noyaux rares est la spécialité de NSCL. L’installation a produit suffisamment de zirconium-80 pour permettre à Ringle, Hamaker et leurs collègues de déterminer sa masse avec une précision sans précédent. Pour ce faire, ils ont utilisé ce qu’on appelle un spectromètre de masse à piège de Penning dans l’installation de pièges à faible énergie et à ions de NSCL, ou LEBIT.
« Les gens ont déjà mesuré cette masse, mais jamais aussi précisément », a déclaré Hamaker. « Et cela a révélé une physique intéressante. »
« Lorsque nous effectuons des mesures de masse à ce niveau précis, nous mesurons en fait la quantité de masse manquante », a déclaré Ringle. « La masse d’un noyau n’est pas seulement la somme de la masse de ses protons et de ses neutrons. Il y a une masse manquante qui se manifeste sous forme d’énergie maintenant le noyau ensemble.
C’est là que l’une des équations les plus célèbres de la science aide à expliquer les choses. Dans E = mc2 d’Albert Einstein, le E représente l’énergie et m la masse (c est le symbole de la vitesse de la lumière). Cela signifie que la masse et l’énergie sont équivalentes, même si cela ne devient perceptible que dans des conditions extrêmes, telles que celles trouvées au cœur d’un atome.
Lorsqu’un noyau a plus d’énergie de liaison – ce qui signifie qu’il a une emprise plus étroite sur ses protons et ses neutrons – il aura plus de masse manquante. Cela aide à expliquer la situation du zirconium-80. Son noyau est étroitement lié, et cette nouvelle mesure a révélé que la liaison était encore plus forte que prévu.
Cela signifiait que les théoriciens du FRIB devaient trouver une explication et qu’ils pouvaient se tourner vers les prédictions d’il y a des décennies pour aider à fournir une réponse. Par exemple, les théoriciens soupçonnaient que le noyau de zirconium-80 pouvait être magique.
De temps en temps, un noyau particulier dépasse ses attentes de masse en ayant un nombre spécial de protons ou de neutrons. Les physiciens les appellent des nombres magiques. La théorie postulait que le zirconium-80 avait un nombre spécial de protons et de neutrons, ce qui le rendait doublement magique.
Des expériences antérieures ont montré que le zirconium-80 avait la forme d’un ballon de rugby ou d’un ballon de football américain plutôt que d’une sphère. Les théoriciens ont prédit que la forme pourrait donner lieu à cette double magie. Avec la mesure la plus précise de la masse du zirconium-80 à ce jour, les scientifiques pourraient étayer ces idées avec des données solides.
« Les théoriciens avaient prédit que le zirconium-80 était un noyau doublement magique déformé il y a plus de 30 ans », a déclaré Hamaker. « Il a fallu un certain temps aux expérimentateurs pour apprendre la danse et fournir des preuves aux théoriciens. Maintenant que les preuves sont là, les théoriciens peuvent déterminer les prochaines étapes de la danse. »
Ainsi, la danse continue et, pour prolonger la métaphore, NSCL, FRIB et MSU offrent l’une des meilleures salles de bal pour qu’elle se déroule. Il dispose d’une installation unique en son genre, d’un personnel expert et du programme d’études supérieures en physique nucléaire le mieux classé du pays.
« Je suis capable de travailler sur place dans une installation nationale d’utilisateurs sur des sujets à la pointe de la science nucléaire », a déclaré Hamaker. « Cette expérience m’a permis de développer des relations et d’apprendre de nombreux membres du personnel et des chercheurs du laboratoire. Le projet a été couronné de succès en raison de leur dévouement envers la science et les installations et équipements de classe mondiale du laboratoire. »
Référence
Hamaker A, Leistenschneider E, Jain R. et al. Mesure précise de la masse du noyau auto-conjugué léger 80Zr. Nat. Phys. (2021). doi: 10.1038/s41567-021-01395-w
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