Aller au contenu principal
En utilisant l’équivalent mathématique d’un microscope à résolution variable, des scientifiques ont percé un mystère tenace dans le domaine de la physique nucléaire : la stabilité remarquable de certains atomes, liée à leur nombre de protons et de neutrons.
Interactions atomiques
Il y a près de 80 ans, Maria Goeppert Mayer avait démontré que lorsque le noyau d’un atome contenait un certain nombre de protons et de neutrons, par exemple 50 ou 82, il devenait exceptionnellement stable. Au fil des ans, les chercheurs ont accumulé des preuves de l’existence d’autres « nombres magiques » de ce type, dans certains des éléments les plus abondants de l’Univers.
Si la physicienne envisageait à l’époque chaque particule du noyau comme indépendante, avec des protons et des neutrons occupant des niveaux d’énergie discrets (ou « couches »), aujourd’hui, nos meilleures théories quantiques indiquent que celles-ci interagissent en réalité fortement.
Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Physical Review Letters, Jiangming Yao, de l’université Sun Yat-sen, et ses collègues sont finalement parvenus à établir comment les nombres magiques émergaient de telles interactions.
A mathematical equivalent of a microscope with variable resolution has shed light on why some atoms are exceptionally stable, a riddle that has persisted in nuclear physics for decades https://t.co/JfOtfyrmco
— New Scientist (@newscientist) February 16, 2026
Selon Yao, le modèle des couches reposait sur des données expérimentales et ne précisait pas les détails des interactions entre chaque particule. Son équipe a donc basé ses calculs sur des principes fondamentaux, permettant de décrire précisément comment celles-ci s’agglutinaient et quelle quantité d’énergie était nécessaire pour les séparer.
Pont mathématique
Les auteurs de l’étude ont comparé leur approche au fait de prendre des clichés d’un même phénomène en haute et basse résolution. « Nous avons commencé par la description haute résolution et l’avons progressivement rendue plus floue à chaque étape du calcul afin de préciser l’évolution de la structure formée par les particules », détaillent-ils.
Au fur et à mesure qu’ils progressaient sur leur pont mathématique, ils ont vu la symétrie des états quantiques des particules changer : le tracé d’un graphique basé sur les équations de ces états produisait des formes avec des symétries différentes à différentes résolutions. Il s’est avéré que les structures nucléaires atteignaient leur stabilité maximale lorsque les particules se regroupaient en nombres magiques.
« La nature apparaît différente selon la résolution à laquelle on l’observe », illustre Jean-Paul Ebran, de la Commission française de l’énergie atomique et des énergies alternatives. « Le changement de symétrie identifié est lié aux effets décrits par la théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein, ce qui permet de brosser un tableau encore plus complet de la manière dont les nombres magiques marient différentes facettes de la théorie nucléaire. »
L’équipe de Yao a notamment testé ses travaux théoriques sur un type d’étain « doublement magique », dont les noyaux contiennent chacun 50 protons et 82 neutrons. Elle prévoit d’étendre son analyse à des noyaux atomiques plus lourds, généralement plus instables, avec des implications pour notre compréhension des explosions et fusions stellaires.