Une double découverte magique


Une double découverte magique

Le noyau déformé de zirconium-80 est plus léger que la somme des masses de ses 40 protons et 40 neutrons. La masse manquante est convertie en énergie de liaison par E = mc2. L’énergie de liaison est responsable de la cohésion du noyau. Crédit : Installation de rayons isotopiques rares

Une équipe de chercheurs comprenant des scientifiques du National Superconductor Cyclotron Laboratory (NSCL) et de la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de la Michigan State University (MSU) a résolu le cas de masse manquante du zirconium-80.

Pour être juste, ils ont aussi 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 exploitant la capacité sans précédent de NSCL à générer et analyser des isotopes rares. 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 à la FRIB et premier auteur de l’étude, que l’équipe a publiée dans la revue le 25 novembre. de la nature. « Chacun mène et suit l’autre à son tour. »

« Parfois, la théorie fait des prédictions à l’avance, et parfois les expériences trouvent des choses auxquelles on ne s’attendait pas », a déclaré Ryan Ringle, scientifique en chef au laboratoire FRIB qui faisait partie du groupe qui a effectué la mesure de la masse du zirconium-80. Ringle est également professeur agrégé de physique à la FRIB et au département de physique et d’astronomie de la MSU du College of Natural Science.

« Ils se poussent les uns les autres et cela conduit à une meilleure compréhension du noyau, qui est essentiellement tout ce avec quoi nous interagissons », a-t-il déclaré.

Cette histoire est donc plus grande qu’un noyau. D’une certaine manière, il s’agit d’un aperçu des capacités de FRIB, une installation d’utilisateurs de sciences nucléaires soutenue par l’Office of Nuclear Physics de l’Office of Science du département américain de l’Énergie.

Lorsque les opérations des utilisateurs commenceront l’année prochaine, les scientifiques nucléaires du monde entier auront l’opportunité de travailler avec la technologie de FRIB pour créer des isotopes rares qui ne pourraient pas être étudiés ailleurs. Vous aurez 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 utilisations, allant d’aider les scientifiques à mieux comprendre l’univers à l’amélioration des soins contre le cancer.

« Alors que nous entrons dans l’ère FRIB, nous pouvons prendre des mesures comme celle-ci et bien plus encore », a déclaré Ringle. « Nous pouvons aller plus loin. Il y a suffisamment d’opportunités ici pour apprendre les uns des autres pendant des décennies. »

Cela dit, le zirconium-80 est un noyau vraiment intéressant en soi.

C’est un noyau dur pour les débutants, 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 sans précédent. Pour ce faire, ils ont utilisé un spectromètre de masse à piège de Penning dans l’installation de faisceaux à faible énergie et pièges à ions (LEBIT) de la NSCL.

« Les gens ont déjà mesuré cette masse, mais jamais avec autant de précision », a déclaré Hamaker. « Et cela a révélé une physique intéressante. »

« Lorsque nous prenons 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 manque de masse, qui se manifeste par l’énergie qui maintient le noyau ensemble. »

C’est là que l’une des équations les plus célèbres de la science aide à expliquer les choses. Dans le E = mc d’Albert Einstein2, 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, ce qui n’est perceptible que dans des conditions extrêmes, telles que celles trouvées dans le noyau d’un atome.

Si un noyau a plus d’énergie de liaison – c’est-à-dire que ses protons et ses neutrons sont plus forts – il manquera de plus de masse. Cela aide à expliquer la situation du Zircon 80. Son noyau est étroitement lié, et cette nouvelle mesure a montré que le lien était encore plus fort que prévu.

Cela signifiait que les théoriciens du FRIB devaient trouver une explication et pouvaient s’appuyer sur des prédictions d’il y a des décennies pour trouver une réponse. Par exemple, les théoriciens ont suggéré que le noyau de zirconium-80 pourrait être magique.

De temps en temps, un certain noyau défie ses attentes de masse en possédant un certain nombre de protons ou de neutrons. Les physiciens les appellent des nombres magiques. La théorie postule que le zirconium-80 possède un nombre spécial de protons et de neutrons, ce qui le rend doublement magique.

Des expériences antérieures ont montré que le zirconium-80 a 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 conduire à cette magie. Avec la mesure la plus précise à ce jour de la masse de zirconium-80, les scientifiques ont pu étayer ces idées avec des données solides.

« Il y a plus de 30 ans, les théoriciens ont prédit que le zirconium-80 était un noyau déformé et doublement magique », a déclaré Hamaker. « Il a fallu du temps aux expérimentateurs pour apprendre la danse et fournir des preuves aux théoriciens. Maintenant que les preuves sont réunies, les théoriciens peuvent déterminer les prochaines étapes de la danse. »

Ainsi, la danse continue et, pour étendre la métaphore, NSCL, FRIB et MSU offrent l’une des meilleures salles de bal pour jouer. Il dispose d’une installation unique, d’un personnel compétent et du principal programme d’études supérieures du pays en physique nucléaire.

« Je suis capable de travailler localement dans une installation d’utilisateurs nationale sur des sujets qui sont à la pointe de la science nucléaire », a déclaré Hamaker. « Cette expérience m’a permis de nouer 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 engagement envers la science et les installations et équipements de laboratoire de premier plan au monde. »


Apprendre comment fonctionne le noyau cellulaire


Plus d’information:
Alec Hamaker, Mesure précise de la masse du noyau léger auto-conjugué 80Zr, Physique naturelle (2021). DOI : 10.1038 / s41567-021-01395-w. www.nature.com/articles/s41567-021-01395-w

Fourni par l’Université d’État du Michigan

Citation: A Double Magic Discovery (2021, 25 novembre), consulté le 25 novembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-11-doubly-magic-discovery.html

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