Les atomes, un peu comme les êtres humains, ont tendance à s'affiner lorsqu'ils perdent du poids. Toutefois, les noyaux atomiques sont des systèmes quantiques complexes formés de neutrons et de protons, qui sont eux-mêmes des particules composites constituées de quarks. Et donc, les noyaux, généralement de forme sphérique ou quasi sphérique, ne se contentent pas de se « dégonfler » lorsqu'on leur enlève des particules. On a en fait constaté, pour des noyaux exotiques de mercure et de bismuth déficients en neutrons, et lorsque l'on retire un à un des neutrons du noyau, une alternance spectaculaire entre la forme ballon de football et la forme ballon de rugby.
Une nouvelle étude menée auprès de l'installation ISOLDE du CERN a montré que les noyaux d'or déficients en neutrons changent eux aussi de forme. Ce résultat, décrit dans un article qui vient d'être publié dans la revue Physical Review Letters, intervient un peu plus de 50 ans après que le phénomène a été observé pour la première fois, à ISOLDE déjà, dans les noyaux de mercure légers. Avec un peu de retard, nous pouvons donc célébrer les noces d’or de ces transitions de forme !
Pour étudier les noyaux d'or, qui comptent 79 protons, l'équipe à l'origine de cette nouvelle étude a utilisé trois dispositifs à ISOLDE (appelées RILIS, Windmill et ISOLTRAP), ayant chacun une fonction spécifique. La puissance combinée des trois dispositifs a permis à l'équipe de déterminer les rayons des noyaux d'or comptant de 104 à 97 neutrons, soit 21 neutrons de moins que l'or que l'on peut trouver dans les rivières.
Les résultats sont surprenants. Dans la mesure où, jusqu'ici, on avait observé que les noyaux passaient d'une forme quasi sphérique avec 108 neutrons à une forme ballon de rugby avec 107 neutrons, et que l'on obtenait ensuite un plateau avec des noyaux en forme de ballon de rugby jusqu'à 104 neutrons, on s'attendait à conserver un plateau avant de retrouver de nouveau des formes quasi sphériques. Il a bien été observé que l'on conservait un plateau, de même que le passage d'une forme quasi sphérique à une forme ballon de rugby, qui se produit à 101 neutrons et qui est une image quasi-miroir – centrée sur un nombre de 104 neutrons – de la transition observée précédemment (voir le graphique plus bas). Toutefois, on a également observé un pic supplémentaire d’alternance de forme à 99 neutrons.
« Ce modèle d'évolution de la forme des noyaux ne ressemble à aucun autre observé jusqu'ici, explique James Cubiss, auteur principal de l'article. Contrairement à ce qui se passe pour les noyaux de mercure et de bismuth, pour lesquels l’alternance montre que les formes ballon de rugby et ballon de football sont pratiquement à égalité dans leur capacité d’optimiser les énergies de liaison, pour les noyaux d'or, les ballons de rugby l'emportent lorsqu'on approche de 104 neutrons. Mais ils ne le font que de justesse, comme le montre l'alternance de forme à partir de 99 neutrons et le retour soudain à des formes de type ballon de football.
Les théoriciens de l'équipe ont ensuite effectué des calculs des rayons nucléaires s’appuyant sur des modèles de pointe, puis les ont comparés aux données. Ils ont constaté que le modèle est conforme au comportement erratique des noyaux d'or, mais seulement si d'autres paramètres sont ajoutés pour contraindre les calculs.