Des physiciens mesurent pour la première fois la « peau de neutrons » d’un atome

Des physiciens ont réalisé la première mesure de la « peau » d’un atome, s’avérant sans surprise extrêmement fine. Une telle découverte pourrait nous aider à mieux cerner les propriétés des étoiles à neutrons.

Une mesure inédite

Isotope contenant 82 protons et 126 neutrons, le plomb 208 possède un type de noyau atypique, à l’intérieur duquel protons et neutrons sont disposés de manière ordonnée dans des coquilles. Ces dernières renforçant la stabilité de l’atome et facilitant son observation, la collaboration PREX au Thomas Jefferson National Accelerator Facility, dont les travaux ont été présentés dans la revue Physical Review Letters, a jeté son dévolu sur le plomb 208 afin de mesurer pour la première fois l’épaisseur de la « peau de neutrons » d’un atome.

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Le fait que le plomb 208 renferme beaucoup plus de neutrons que de protons implique que ceux-ci ne soient mélangés qu’au centre du noyau, et que certains neutrons forment une fine couche à la périphérie de celui-ci.

Grâce à des expériences antérieures, les chercheurs connaissaient déjà la densité des protons à l’intérieur du noyau. La peau de neutrons ayant pour effet de comprimer certains neutrons vers l’extérieur, la mesure de son épaisseur a permis de révéler la densité du noyau dans son ensemble.

« Cela révèle quelque chose de fondamental sur la façon dont les noyaux sont constitués, et cet élément d’information montre vraiment à quel point il est difficile de déplacer des neutrons quand ceux-ci sont déjà présents en masse, et combien il est difficile de rendre la matière plus dense », explique Kent Paschke, chercheur à l’université de Virginie et auteur principal de l’étude.

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0,28 trillionième de millimètre

Les chercheurs ont mesuré l’épaisseur de la peau neutronique en plaçant un échantillon de plomb 208 entre deux diamants et en le bombardant à l’aide d’un puissant faisceau d’électrons. La façon dont les électrons ont rebondi sur le plomb a révélé où se trouvaient les neutrons dans le noyau, ce qui a permis à l’équipe de déterminer que la peau des neutrons mesurait environ 0,28 femtomètre (0,28 trillionième de millimètre), soit une épaisseur très légèrement supérieure à celle prévue par les physiciens.

La compréhension de ce fait fondamental concernant les noyaux pourrait nous aider à comprendre la pression à l’intérieur des étoiles à neutrons qui, comme leur nom l’indique, sont principalement composées de ces particules subatomiques, ce qui pourrait contribuer à déterminer leur taille maximale.

« La physique à l’origine de la peau du plomb 208 régit également la taille d’une étoile à neutrons », explique Jorge Piekarewicz de l’université d’État de Floride. « La gravité veut écraser l’étoile à neutrons et en faire un trou noir, mais quelque chose l’empêche de s’effondrer. Et ce phénomène est également responsable de la formation de cette fine pellicule au sein des atomes. »

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