Des physiciens du Jefferson Lab Hall A Tritium Collaboration ont comparé les noyaux d’isotopes d’hélium et d’hydrogène entre eux afin d’obtenir une vision plus claire de la manière dont les composants des noyaux sont disposés et ont découvert qu’il y a encore beaucoup à apprendre sur le cœur de la matière.
Les mesures de précision des noyaux de tritium et d’hélium 3 révèlent de nouvelles questions sur la compréhension de la structure nucléaire. Crédit image : DOE’s Jefferson Lab.
“Nous voulons étudier la structure nucléaire, qui est essentiellement la façon dont les protons et les neutrons se comportent à l’intérieur d’un noyau”, a déclaré Reynier Cruz-Torres, chercheur postdoctoral au Lawrence Berkeley National Lab.
“Pour ce faire, nous pouvons mesurer n’importe quel noyau que nous voulons. Mais pour faire un test de haute précision de la théorie nucléaire, nous sommes limités aux noyaux légers qui ont des calculs de précision. La mesure de ces noyaux légers est une référence pour comprendre la structure nucléaire en général.”
Le Dr Cruz-Torres et ses collègues se sont concentrés sur deux des noyaux les plus simples et les plus légers de l’Univers : l’hélium et l’hydrogène.
Ils se sont concentrés sur l’isotope léger et stable de l’hélium appelé hélium-3 et sur un isotope rare et radioactif de l’hydrogène appelé tritium.
L’hélium 3 contient deux protons et un neutron, tandis que le tritium contient un proton et deux neutrons.
“Ce sont des noyaux miroirs”, a déclaré le Dr Florian Hauenstein, chercheur postdoctoral à l’Université Old Dominion et au MIT.
“Ainsi, vous pouvez supposer que les protons de l’hélium 3 sont fondamentalement les mêmes que les neutrons du tritium et vice versa”.
En comparant ces noyaux relativement simples, les physiciens peuvent obtenir une fenêtre sur les interactions nucléaires fortes qui ne peut être reproduite ailleurs. Ces noyaux sont d’excellents exemples à comparer avec les théories les plus récentes qui décrivent les structures de base des différents noyaux.
“Les calculs théoriques existent depuis un certain temps, mais nous ne connaissions pas leur qualité”, a déclaré le Dr Dien Nguyen, chercheur postdoctoral au MIT et au Jefferson Lab.
“Ainsi, avec cette recherche, nous sommes en mesure de dire quantitativement à quel point le calcul est bon. Je pense que c’est une étape vraiment importante.”
Pour faire la comparaison, les physiciens ont mesuré les deux noyaux dans des expériences de haute précision dans l’installation d’accélérateur à faisceau électronique continu du laboratoire Jefferson.
Les électrons du CEBAF ont été dirigés vers les noyaux de tritium et d’hélium-3, où certains ont interagi avec les protons des noyaux. Les protons frappés et les électrons en interaction ont ensuite été capturés et mesurés dans des spectromètres.
“Nous utilisons les spectromètres pour étudier les propriétés de ces particules de l’état final et remonter jusqu’au noyau pour essayer de comprendre ce qui se passait à l’intérieur du noyau avant que la réaction ait lieu”, a déclaré le Dr Cruz-Torres.
Les scientifiques ont ensuite comparé l’ensemble des données issues des expériences aux calculs théoriques sur les structures des noyaux d’hélium 3 et de tritium.
Ils ont constaté que les données correspondaient généralement bien à la théorie pour les deux noyaux, avec la précision permise par l’expérience. Cependant, des différences ont également été observées par rapport à certains calculs, indiquant que des raffinements supplémentaires dans les traitements théoriques sont nécessaires.
“Nous nous attendions à ce que les calculs de l’hélium-3 correspondent facilement aux données, mais il s’est avéré que la section transversale du tritium correspondait très bien au calcul théorique, et l’hélium-3 pas tellement sur toute la gamme. Nous devons donc revenir en arrière et examiner l’hélium-3 “, a déclaré le Dr Hauenstein.
“Avant, nous pensions avoir une très bonne compréhension des calculs “, a déclaré le Dr Nguyen.
“Mais maintenant, c’est le résultat qui nous pousse à faire une mesure encore plus détaillée, parce que nous voulons nous assurer que nous avons un bon accord avec la théorie.”
Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
