Le noyau atomique a été découvert il y a plus d’un siècle, mais de nombreuses questions subsistent quant à la force qui maintient ensemble les protons et les neutrons et à la manière dont ces particules sont agencées à l’intérieur.

Dans le modèle en couches classique, les protons et les neutrons s’organisent en couches d’énergie croissante, et, lorsque les couches externes sont entièrement remplies de protons et de neutrons, on obtient un noyau « magique » particulièrement stable. Cependant, ce modèle ne fonctionne qu’avec la bonne proportion de protons et de neutrons. Si l’on n’a pas la bonne combinaison, le modèle n’est plus valable.

Les physiciens nucléaires aux quatre coins du monde s’efforcent d’identifier les zones de la carte des nucléides où ce modèle n’est pas applicable. Ils ont pour objectif de développer un modèle qui s’applique à tous les noyaux et permette de mieux comprendre leur structure interne.

Dans un article publié récemment dans le journal Physical Review C, Louis Lalanne et son équipe ont présenté des données de l’installation ISOLDE du CERN qui leur ont permis de déterminer la rive occidentale d’une telle zone, « l’îlot d’inversion » associé au neutron n°40.

L’îlot d’inversion du neutron 40 est l’un des seuls îlots de noyaux différents dans une mer de noyaux pour la plupart « normaux » situés sur les bords, dans une zone riche en neutrons. Dans ces régions insulaires, les couches ne sont pas remplies dans l’ordre habituel, et les neutrons occupent des couches où l’on ne s’attend pas à les trouver. Cet agencement confère aux noyaux des formes et des propriétés qu’ils ne partagent pas avec les noyaux avoisinants.

Afin d’explorer l’îlot d’inversion du neutron 40, l’équipe de Louis Lalanne a utilisé ISOLDE, une installation unique en son genre dédiée à la production et à l’étude de noyaux comportant trop ou pas assez de neutrons pour être stables. Ils ont plus précisément produit et étudié le noyau du chromium-61, encore peu exploré, constitué de 24 protons et 37 neutrons, qui se trouverait sur la rive occidentale de l’îlot d’inversion du neutron 40.

S’appuyant sur les mesures réalisées par le dispositif de spectroscopie colinéaire par ionisation résonante (Collinear Resonance Ionisation Spectroscopy - CRIS) d’ISOLDE, qui permet d’étudier les noyaux riches en neutrons avec une précision élevée, les chercheurs ont déterminé deux propriétés du chromium-61 : le moment dipolaire magnétique et le spin.

Ces mesures, combinées avec des calculs théoriques, ont démontré que le chromium-61 présente une configuration de remplissage de couche intermédiaire entre celle qui est attendue pour les noyaux se trouvant en dehors l’îlot d’inversion du neutron 40, et celle qui est attendue pour les noyaux situés à l’intérieur de l’îlot. Cela permet de déterminer la rive occidentale de l’îlot d’inversion du neutron 40.

« Nous avons pour objectif ultime de comprendre la façon dont les structures nucléaires apparaissent et évoluent dans le paysage atomique, » explique Louis Lalanne. « Les îlots d’inversion sont importantes car ils constituent des régions d’évolution rapide encore mal connues. Ce résultat nous aide à mieux comprendre le mécanisme à l'origine de cette évolution. »