Dans une expérience terrestre visant à mieux comprendre les mécanismes régnant au sein des étoiles à neutrons en faisant le lien avec leurs processus neutroniques, des physiciens sont parvenus, pour la première fois, à mesurer avec précision l’épaisseur de la couche la plus externe du noyau d’un atome.
Dans le cadre de la collaboration PREX du Thomas Jefferson National Accelerator Facility en Virginie, des chercheurs ont entrepris le défi de mesurer avec précision la couche la plus externe du noyau d’un atome de plomb-208, qu’ils appellent aussi par abus de langage la « peau neutronique de l’atome ».
S’ils ont choisi cet isotope de plomb particulier, c’est parce qu’il contient 82 protons et 126 neutrons tout en bénéficiant d’un noyau particulièrement stable : les protons et les neutrons sont disposés de manière ordonnée dans des coquilles, en son sein. Ces coquilles maintiennent l’atome relativement stable et le rendent donc plus facile à expérimenter.
Comprendre l’architecture des noyaux atomiques
Comme le plomb-208 contient beaucoup plus de neutrons que de protons, les neutrons et les protons ne sont mélangés qu’au centre du noyau, certains neutrons constituant une couche sur le bord. Grâce à des expériences antérieures, nous connaissons déjà la densité des protons à l’intérieur du noyau. Comme la « peau des neutrons » est créée par l’architecture et les mécanismes internes du noyau, qui est si dense qu’il comprime certains neutrons vers l’extérieur, la mesure de l’épaisseur de cette couche de neutrons révèle la densité du noyau dans son ensemble.
« Cela nous dit quelque chose de fondamental sur la façon dont les noyaux sont assemblés, et cet élément d’information nous indique vraiment à quel point il est difficile de pousser des neutrons dans la matière quand il y a déjà beaucoup de neutrons, à quel point il est difficile de rendre la matière plus dense », explique Kent Paschke de l’Université de Virginie, porte-parole du groupe PREX.
Mieux comprendre les étoiles à neutrons et leurs limites
Les chercheurs ont mesuré l’épaisseur de la peau neutronique en prenant en sandwich un échantillon de plomb-208 entre deux diamants et en le bombardant d’un puissant faisceau d’électrons. La façon dont les électrons ont rebondi sur le plomb a révélé les emplacements des neutrons dans le noyau.
Ils ont découvert que la « peau des neutrons » mesure environ 0,28 femtomètre (un femtomètre étant un millionième de milliardième de mètre, soit 10–15 mètre), ce qui correspond à une épaisseur très légèrement supérieure à celle théoriquement prévue par les physiciens.
La compréhension de ce fait fondamental concernant les noyaux pourrait nous aider à en savoir plus sur la pression régnant à l’intérieur des étoiles à neutrons, qui sont principalement composées de neutrons, ce qui pourrait contribuer à fixer une limite à leur taille. « La physique responsable de la ‘peau du plomb-208’ est également responsable de la taille d’une étoile à neutrons », explique Jorge Piekarewicz de la Florida State University. « La gravité veut écraser l’étoile à neutrons et en faire un trou noir, et quelque chose l’empêche de s’effondrer – ce quelque chose est le même que celui qui produit la peau des neutrons ».
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