Les noyaux en forme de poire à l’étude

La plupart des noyaux atomiques ont la forme d'une sphère ou d'un ballon de rugby. Cependant, il a été observé que certains noyaux peuvent aussi prendre une forme exotique, celle d'une poire, une extrémité du noyau contenant davantage de masse que l'autre.

Dans la revue Science, une équipe internationale de chercheurs a présenté des résultats issus d'une combinaison de calculs théoriques et de mesures concernant le monofluorure de radium (225Ra19F), molécule contenant un noyau en forme de poire.

Basés sur des données recueillies à ISOLDE au CERN, où cette forme inhabituelle de noyau a été observée pour la première fois, ces résultats ont mis au jour de nouveaux éléments sur la structure en niveaux d'énergie de ces molécules instables.

Dans un atome ou une molécule, les niveaux d'énergie sont comme les barreaux d'une échelle. Cependant, il existe entre ces niveaux des sous-structures plus fines. Des mesures précises de ces infimes subdivisions, qui sont sensibles à d'éventuelles nouvelles forces ou particules et aux imperfections dans les symétries fondamentales présentes dans la nature, sont un moyen de tester le Modèle standard de la physique des particules.

Les molécules contenant un noyau en forme de poire, tels que le 225Ra, constituent un moyen plus puissant pour chercher une « nouvelle physique » que les atomes et les molécules standard. Cependant, ces molécules sont instables et on ne les trouve pas dans la nature. Les chercheurs doivent donc les produire en laboratoire et imaginer des moyens ingénieux de les étudier avant qu'elles disparaissent. Par exemple, les molécules de 225Ra19F ont une durée de vie d'environ 20 jours, du fait de la désintégration radioactive que subit le noyau de 225Ra.

De plus, pour pouvoir tirer, à partir des mesures précises effectuées sur ces molécules, des informations pointant vers une nouvelle physique, les chercheurs ont également besoin de faire des calculs théoriques pointus auxquels comparer ces mesures. Pour pouvoir réaliser ces calculs, il faut bien comprendre comment la forme en poire du noyau influe sur les niveaux d'énergie de la molécule par ses interactions avec le nuage d'électrons qui s'étend à l'intérieur du noyau.

La nouvelle étude d'ISOLDE a permis de comprendre une partie de cette influence via la mesure de la structure hyperfine de la molécule 225Ra19F. Une structure moléculaire hyperfine correspond à unedivision extrêmement fine de niveaux d'énergie engendrée par les interactions entre les noyaux de la molécule et le champ magnétique généré par ses électrons.

Pour mesurer la structure hyperfine du 225Ra19F, les chercheurs utilisent le dispositif de spectroscopie colinéaire par ionisation résonante (Collinear Resonance Ionisation Spectroscopy - CRIS) d'ISOLDE qui fait appel à trois lasers émettant des impulsions lumineuses courtes et intenses. Combinées à des calculs poussés de structure moléculaire, ces mesures ont mis en lumière l'influence du noyau de 225Ra sur les niveaux d'énergie dans les interactions électron-noyau au sein du noyau.

« Nous avons observé l'effet de la distribution du magnétisme au sein du noyau de 225Ra sur les niveaux d'énergie du 225Ra19F, phénomène que nous avions observé dans des atomes mais pas dans une molécule, explique Shane Wilkins, chercheur responsable de l'étude aux côtés de Silviu Udrescu. Ces résultats ouvriront la voie à de futures recherches visant à utiliser ces molécules pour tester les symétries fondamentales présentes dans la nature et rechercher une nouvelle physique », conclut-il.