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An overlooked nuclear force helps keep matter stable, study reveals
traduction and comments by R O HARTMANSHENN
Une force nucléaire négligée contribue à la stabilité de la matière, révèle une étude
par l'Université de Kyushu
La force des trois nucléons améliore la séparation spin-orbite, ce qui provoque un écart d'énergie plus important entre les couches nucléaires et stabilise le noyau. Crédit : Tokuro Fukui / Université de Kyushu
Des chercheurs de l'Université de Kyushu, au Japon, ont révélé comment un type particulier de force au sein du noyau d'un atome, connu sous le nom de force des trois nucléons, affecte la stabilité nucléaire. L'étude, publiée dans Physics Letters B, donne un aperçu des raisons pour lesquelles certains noyaux sont plus stables que d'autres et pourrait aider à expliquer les processus astrophysiques, tels que la formation d'éléments lourds dans les étoiles.
Toute la matière est constituée d'atomes, les éléments constitutifs de l'univers. La majeure partie de la masse d'un atome est concentrée dans son minuscule noyau, qui contient des protons et des neutrons (appelés collectivement nucléons). Comprendre comment ces nucléons interagissent pour maintenir le noyau stable et dans un état de basse énergie est une question centrale de la physique nucléaire depuis plus d'un siècle.
La force nucléaire la plus puissante est la force à deux nucléons, qui attire deux nucléons à longue distance pour les rapprocher et les repousse à courte distance pour les empêcher de trop se rapprocher.
« Les scientifiques ont acquis une bonne compréhension de la force à deux nucléons et de son impact sur la stabilité nucléaire », explique le premier auteur Tokuro Fukui, professeur adjoint de la Faculté des arts et des sciences de l'Université de Kyushu. « En revanche, la force à trois nucléons, qui se produit lorsque trois nucléons interagissent simultanément les uns avec les autres, est beaucoup plus compliquée et mal comprise. »
Fukui décrit les forces nucléaires en les comparant à un jeu de catch. Avec la force à deux nucléons, deux joueurs, ou nucléons, interagissent en se lançant une balle. La balle, une particule subatomique appelée méson, peut varier en poids, le méson le plus léger, connu sous le nom de pion, étant responsable de l'attraction à longue distance entre les nucléons.
Avec la force des trois nucléons, il y a trois joueurs, ou nucléons, et des balles, ou mésons, passent entre eux. En même temps qu'ils lancent et attrapent les balles, les joueurs, ou nucléons, tournent et se déplacent également sur une orbite à l'intérieur du noyau.
Bien que la force à trois nucléons ait été historiquement considérée comme ayant peu d'importance par rapport à la force à deux nucléons, un nombre croissant d'études récentes ont souligné son importance. Cette nouvelle étude clarifie désormais le mécanisme par lequel la force à trois nucléons améliore la stabilité nucléaire et démontre qu'à mesure que le noyau grandit, la force gagne en intensité.
Dans leurs recherches, Fukui et ses collègues ont utilisé une théorie nucléaire avancée et des simulations sur superordinateur pour étudier l'échange de pions entre trois nucléons. Ils ont découvert que lorsque deux pions sont échangés entre trois nucléons, les nucléons sont contraints dans leur façon de se déplacer et de tourner, avec seulement quatre combinaisons possibles. Leurs calculs ont révélé que l'une de ces combinaisons, connue sous le nom de « composant de rang 1 », joue un rôle crucial dans la promotion de la stabilité nucléaire.
Une stabilité accrue se produit, explique Fukui, en raison de l'amélioration d'un processus connu sous le nom de séparation spin-orbite. Lorsque les nucléons tournent et orbitent dans la même direction, l'alignement de ces nucléons entraîne une réduction d'énergie. Mais lorsque les nucléons tournent et orbitent dans des directions opposées, ces nucléons existent dans un état d'énergie plus élevé. Cela signifie que les nucléons se « divisent » en différentes couches d'énergie, ce qui confère au noyau une structure stable.
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"Nos simulations sur superordinateur ont montré que si la force à trois nucléons augmente l'état d'énergie des nucléons avec un spin et une orbite alignés, elle fait gagner encore plus d'énergie aux nucléons avec des spins et des orbites opposés. Cela se traduit par un écart d'énergie plus grand entre les couches, ce qui rend les noyaux encore plus stables", révèle Fukui.
Il est important de noter que cet effet devient plus prononcé dans les noyaux plus lourds qui contiennent plus de nucléons. Dans l'élément le plus lourd étudié, le carbone 12, qui possède 12 nucléons, la force des trois nucléons a entraîné un élargissement de l'écart énergétique d'un facteur 2,5.
« Cet effet est si important qu'il a presque autant de poids que l'impact de la force des deux nucléons. Nous nous attendons à ce que l'effet soit encore plus fort pour les éléments plus lourds que le carbone 12, que nous prévoyons d'étudier dans le cadre de nos prochaines étapes », explique Fukui.
La force des trois nucléons pourrait jouer un rôle clé dans la compréhension de la formation des éléments lourds à partir de la fusion d'éléments plus légers dans les étoiles. À mesure que cette force s'intensifie dans les noyaux plus lourds, elle augmente leur stabilité en créant des écarts énergétiques plus importants entre les couches nucléaires.
Cette stabilité rend plus difficile pour le noyau de capturer des neutrons supplémentaires, qui sont essentiels à la formation d'éléments plus lourds. Dans les cas où le noyau contient déjà un « nombre magique » de protons ou de neutrons qui remplit entièrement ses couches, le noyau devient exceptionnellement stable, ce qui peut encore entraver le processus de fusion.
« Connaître l’écart énergétique entre les différentes couches nucléaires est une information cruciale pour les scientifiques qui tentent de prédire la formation d’éléments lourds, ce qu’ils ne peuvent pas faire sans comprendre la force des trois nucléons. Pour les noyaux à nombre magique, des conditions qui fournissent des quantités colossales d’énergie peuvent être nécessaires », explique Fukui.
Enfin, les chercheurs ont découvert un autre effet surprenant de la force des trois nucléons sur les spins des nucléons. Avec seulement la force des deux nucléons, les états de spin des deux nucléons peuvent être mesurés individuellement. Cependant, la force des trois nucléons crée une intrication quantique, où deux des trois nucléons ont des spins qui existent dans les deux états à la fois jusqu’à ce qu’ils soient mesurés.
« L’intrication quantique des nucléons peut se produire comme avec les électrons, bien que la masse plus importante des nucléons présente des défis différents. Ces différences peuvent avoir des implications pour la recherche future, y compris dans les technologies émergentes comme l’informatique quantique », conclut Fukui.
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COMME?NTAIRE
La description de la structur interne d un noyau atomique a fait l objet re trés nombreuses etusdes .... pour comprendre déjà la différence entre les nombres de protons et de neutrons possibles .... L 'analyse de la''soupe interne'' fait appel a des modèles plus ou moins interactifs dont je reproduit l image ...
.La recherche publiée dans l article introduit le concept de l intrication quantique ...Je me métie de cette emprise ( du genre '' tout nouveau =tout beau!!!)
Quoiqu il en soit
ces chercheurs de l'Université de Kyushu, au Japon, ont révélé comment un type particulier de force au sein du noyau d'un atome, connu sous le nom de force des trois nucléons, affecte la stabilité nucléaire.
Une force nucléaire négligée jusqu içi
contribue à la stabilité de la matière....
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More information: Tokuro Fukui et al, Uncovering the mechanism of chiral three-nucleon force in driving spin-orbit splitting, Physics Letters B (2024). DOI: 10.1016/j.physletb.2024.138839
Journal information: Physics Letters B
Provided by Kyushu University
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