Une étude menée par un consortium international appelé CLAS Collaboration, composé de 182 membres de 42 institutions dans 9 pays, a confirmé que l’augmentation du nombre de neutrons par rapport aux protons dans le noyau d’un atome augmente également le momentum moyen de ses protons. Le résultat, rapporté dans la revue Naturea des implications pour la dynamique des étoiles à neutrons.
Les étoiles à neutrons sont les étoiles les plus petites et les plus denses de l’Univers. Comme leur nom l’indique, les étoiles à neutrons sont composées presque entièrement de neutrons. Duer et al suggèrent que certaines propriétés des étoiles à neutrons pourraient être influencées non seulement par leur multitude de neutrons très denses, mais aussi par une fraction nettement plus faible de protons – des particules chargées positivement qui ne représentent que 5 % d’une étoile à neutrons. Voici une illustration d’une étoile à neutrons. Crédit image : Casey Reed, Penn State University.
Le noyau d’un atome est rempli de protons et de neutrons, mais pas aussi densément que dans les étoiles à neutrons.
Parfois, s’ils sont suffisamment proches, un proton et un neutron s’associent et traversent le noyau d’un atome avec une énergie inhabituellement élevée.
De telles “corrélations à courte portée”, comme on les appelle, peuvent contribuer de manière significative au bilan énergétique et aux propriétés générales d’un noyau atomique donné.
Les chercheurs de la collaboration CLAS ont basé leur étude sur les données collectées par le “Continuous Electron Beam Accelerator Facility” Large Acceptance Spectrometer (CLAS), un accélérateur et détecteur de particules basé au Jefferson Laboratory en Virginie.
CLAS a été conçu pour détecter et enregistrer les multiples particules qui sont émises lorsque des faisceaux d’électrons frappent des cibles atomiques.
L’équipe a réanalysé les données d’une expérience menée en 2004, au cours de laquelle CLAS a produit un faisceau d’électrons de 5,01 GeV pour sonder des noyaux de carbone, d’aluminium, de fer et de plomb. En plus de leurs tailles différentes, chacun de ces quatre types d’atomes a un rapport différent entre les neutrons et les protons dans leurs noyaux, le carbone ayant le moins de neutrons et le plomb en ayant le plus.
“Lorsque l’électron arrive et frappe le noyau, nous avons frappé un proton ou un neutron. Nous avons détecté l’électron diffusé et le proton ou le neutron diffusé”, a déclaré Meytal Duer, un étudiant diplômé de l’Université de Tel Aviv.
“C’est la première étude à mesurer à la fois les protons et les neutrons dans des corrélations à courte portée et à comparer la fraction de haut momentum portée par chacun.”
Duer et ses collègues ont constaté que, lorsque le nombre relatif de neutrons dans un atome augmente, la probabilité qu’un proton forme une paire énergétique augmente également.
La probabilité qu’un neutron forme une paire énergétique, cependant, est restée à peu près la même.
Cette tendance suggère que, dans les objets à forte densité de neutrons, les protons minoritaires portent une part disproportionnée de l’énergie moyenne.
“Lorsque nous avons 50 % de neutrons en plus dans le noyau, nous avons également 50 % de protons à haut momentum en plus qu’auparavant”, a déclaré le Dr Or Hen, chercheur au MIT, co-auteur de l’étude et porte-parole de la collaboration d’extraction de données.
“Cela peut être une conséquence du phénomène de préférence de paire présenté par les corrélations à courte portée. C’est-à-dire que les protons et les neutrons préfèrent tous deux s’apparier avec des particules différentes d’eux par 20 contre 1. Dans les noyaux riches en neutrons, les quelques protons auront plus de possibilités d’appariement que les neutrons abondants.”
“Un résultat principal de l’étude est qu’au fur et à mesure que le noyau devient de plus en plus riche en neutrons, la probabilité d’appariement des neutrons sature, tandis que la probabilité d’appariement des protons augmente.”
“La tendance des protons énergétiques dans les atomes riches en neutrons peut s’étendre à des objets encore plus denses en neutrons, comme les étoiles à neutrons. Le rôle des protons dans ces objets extrêmes pourrait alors être plus important que ce que l’on soupçonnait auparavant”, a ajouté le Dr Hen.
“Cette révélation pourrait bouleverser la compréhension qu’ont les scientifiques du comportement des étoiles à neutrons”.
“Par exemple, comme les protons peuvent transporter beaucoup plus d’énergie que ce que l’on pensait jusqu’à présent, ils peuvent contribuer aux propriétés des étoiles à neutrons”.d’une étoile à neutrons, comme sa rigidité, son rapport masse/taille, et son processus de refroidissement.”
“Toutes ces propriétés affectent ensuite la façon dont deux étoiles à neutrons fusionnent ensemble, ce qui, selon nous, est l’un des principaux processus dans l’Univers permettant de créer des noyaux plus lourds que le fer, comme l’or”, a-t-il ajouté.”
“Maintenant que nous savons que la petite fraction de protons dans l’étoile est très fortement corrélée, nous allons devoir repenser le comportement des étoiles à neutrons.”
