Des physiciens ont étudié pour la première fois une molécule rare afin d’observer comment le magnétisme se répartit dans un noyau radioactif.
Les règles de la nature ne changent généralement pas. Si vous lancez une balle à Seattle ou à Tokyo, elle tombe de la même manière. Les physiciens appellent cela « symétrie » et ils utilisent la symétrie comme guide pour déterminer la manière dont l’univers devrait se comporter. C’est ce qui maintient la cohérence du monde : si les lois de la physique fonctionnaient différemment le mardi, l’univers serait le chaos.
Mais certaines parties de la nature ne semblent pas respecter cet équilibre parfait. Par exemple, il peut sembler juste de supposer que l’univers devrait traiter la matière et l’antimatière sur un pied d’égalité. Pourtant notre univers est fait presque entièrement de matièreet les physiciens ne savent toujours pas pourquoi.
Un endroit prometteur pour chercher des réponses se trouve à l’intérieur des noyaux radioactifs. En effet, la disposition inégale des protons et des neutrons peut amplifier les plus petites ruptures de symétrie. Si les scientifiques parviennent à détecter ces petites asymétries, cela pourrait révéler une nouvelle physique au-delà du modèle standard, selon Silviu-Marian Udrescuphysicien au MIT et co-auteur d’une nouvelle étude sur le phénomène.
Dans une étude publiée le 23 octobre dans la revue Sciencedes scientifiques du CERN et du MIT ont examiné une molécule radioactive à courte durée de vie appelée monofluorure de radium (RaF) pour mesurer son spectre énergétique. Mais, étonnamment, ils ont fini par faire la première observation de la façon dont le magnétisme est distribué dans l’un de ses noyaux. Ce phénomène, connu sous le nom d’effet Bohr-Weisskopf, n’avait jamais été observé dans une molécule auparavant.
L’avocat de l’atome
La molécule RaF est composée de deux atomes : le radium et le fluorure. Chacun avec son propre noyau. Le noyau du radium possède une propriété appelée « déformation octupôle ».
« Vous pouvez le considérer comme le noyau lui-même ayant la forme d’une poire ou d’un avocat », Shane Wilkinsphysicien au MIT et premier auteur de l’étude, a déclaré à Live Science. En raison de sa forme asymétrique, RaF est un candidat idéal pour trouver les asymétries recherchées par l’équipe.
« C’est une propriété très rare », a ajouté Udrescu. « Cela ne se produit que dans quelques poignées de noyaux atomiques sur l’ensemble du diagramme nucléaire. Et tous ces noyaux qui ont cette forme de poire sont radioactifs. »
Cette radioactivité rend ces noyaux difficiles à étudier car ces isotopes sont instables et de courte durée de vie. Cela signifie qu’ils se désintègrent en 15 jours environ et peuvent disparaître avant que les chercheurs puissent effectuer de nombreuses mesures. « Nous ne pouvons les produire qu’en très petites quantités », a déclaré Wilkins.
L’effet Bohr-Weisskopf a été observé dans des atomes individuels, où les électrons interagissent avec un seul noyau. Cependant, sa détection à l’intérieur d’une molécule est plus difficile. C’est parce que les électrons se déplacent constamment entre les deux noyaux. Le mouvement peut brouiller les signaux magnétiques et les rendre plus difficiles à détecter. Dans une molécule RaF, l’atome de fluorure est un partenaire de liaison plus simple. Cela permet aux scientifiques de se concentrer sur la structure magnétique du noyau du radium, le plus lourd.
L’équipe a créé pour la première fois du monofluorure de radium à Installation ISOLDE du CERN. Ils ont fait exploser une cible d’uranium avec des protons à haute énergie pour produire l’isotope rare du radium 225 et l’ont combiné avec du fluor gazeux. Chaque molécule n’existait que pendant une fraction de seconde. Les chercheurs n’ont pu en détecter qu’une cinquantaine par seconde dans le bon état pour la mesure.
Ensuite, ils ont dirigé plusieurs faisceaux laser de fréquences légèrement différentes vers les molécules. Lorsque la molécule absorbait ou émettait de la lumière, les scientifiques enregistraient les minuscules changements dans cette lumière. Cela a produit un spectre. Normalement, ces modèles renseignent les scientifiques sur la façon dont les électrons se déplacent autour du noyau. Mais dans ce cas, certains changements ont révélé que les électrons étaient influencés par l’intérieur du noyau.
« L’électron sonde en fait à l’intérieur le noyau, vous ne pouvez donc plus le traiter comme une interaction à longue portée. Au lieu de cela, il commence à détecter les propriétés internes du noyau du radium lui-même », a déclaré Wilkins.
« Cet effet s’appelle l’effet Bohr-Weisskopf, » Wilkins a ajouté. « Au meilleur de nos connaissances, cela n’a jamais été vu dans une molécule auparavant. Le fait que nous puissions à la fois observer cet effet expérimentalement et le décrire théoriquement nous en dit long sur l’adéquation de ces molécules pour de futures mesures de précision.
Maintenant que les chercheurs ont cartographié la structure interne de RaF, ils peuvent l’utiliser pour sonder des effets encore plus petits susceptibles de briser les symétries de la nature. La prochaine étape, a déclaré Wilkins, consiste à ralentir et à piéger ces molécules avec des lasers pour effectuer des mesures encore plus précises.
« Nous savons désormais qu’ils peuvent constituer des outils puissants pour rechercher de nouvelles données physiques », a déclaré Udrescu.
