Des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ont développé une nouvelle méthode pour étudier la structure interne du noyau atomique sans avoir recours à de grands accélérateurs ou à des collisionneurs nucléaires. Pour ce faire, les physiciens ont utilisé les électrons de l'atome de radium contenus dans la molécule de fluorure de radium (RaF) comme « sondes internes » capables de pénétrer dans le noyau et de révéler des informations sur sa structure. Les travaux ont été publiés dans la revue Science.
De telles expériences nécessitent généralement des accélérateurs d’un kilomètre de long où les électrons entrent en collision avec des noyaux à des énergies énormes. La nouvelle méthode permet de mener des études similaires littéralement « sur la table » à l'aide de pièges moléculaires et de mesures laser.
Dans les molécules de fluorure de radium, les chercheurs ont mesuré l’énergie des électrons en orbite autour de l’atome de radium et ont constaté un écart faible mais significatif par rapport à la valeur attendue. Ce déplacement d'énergie, de l'ordre d'un millionième de l'énergie d'un photon laser, indique que les électrons ont brièvement pénétré le noyau et interagi avec ses protons et ses neutrons.
"Nous avons prouvé pour la première fois que nous pouvons 'regarder' à l'intérieur du noyau", a expliqué le co-auteur Ronald García Ruiz, professeur agrégé de physique. "Il semble que le champ électrique de la batterie puisse être mesuré non seulement de l'extérieur, mais aussi de l'intérieur. C'est exactement ce que nous avons fait avec l'atome de radium."
Les scientifiques ont noté que chaque proton et neutron du noyau se comporte comme un petit aimant. La nouvelle technique permet pour la première fois de mesurer directement la distribution de ces « aimants », dite distribution magnétique nucléaire, ce qui peut révéler la structure des forces agissant à l’intérieur du noyau.
Les chercheurs prévoient d’utiliser cette méthode pour cartographier avec précision le noyau du radionucléide. Sa forme est différente de celle de la plupart des atomes. au lieu d'être sphérique, il présente une asymétrie « en forme de poire » en masse et en charge. Les scientifiques pensent que cette structure pourrait amplifier les effets de la rupture des symétries fondamentales de la nature, une clé possible pour comprendre pourquoi il existe un excès de matière par rapport à l'antimatière dans l'univers.
L’équipe prévoit d’affiner la technologie pour geler les molécules et contrôler l’orientation de leurs noyaux en forme de poire. Cela permettra de mesurer plus précisément la répartition des charges et des forces au sein du noyau et, éventuellement, pour la première fois, de détecter une violation des symétries fondamentales de la nature.
"Les molécules avec un noyau de radium constituent un système unique pour rechercher de nouveaux phénomènes physiques", a souligné García Ruiz. "Nous disposons désormais des outils nécessaires pour lancer cette recherche."
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