Une équipe japonaise mesure avec une haute précision la masse des isotopes d'argon et révèle les variations d'intensité du nouveau nombre magique N=32

Une équipe de recherche internationale composée de l'Institut RIKEN et de l'Organisation de recherche sur les accélérateurs à haute énergie (KEK), entre autres, a effectué des mesures de masse de haute précision sur des isotopes d'argon à courte durée de vie situés loin de la ligne de stabilité nucléaire, en utilisant le dispositif BigRIPS de production et de séparation de faisceaux d'ions radioactifs supraconducteurs du centre RIBF du RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, ainsi que le système de spectrométrie de masse de précision pour isotopes radioactifs lents fixes CRISMASS, développé conjointement par les deux institutions.

L'énergie de l'intervalle de couche à deux neutrons près du nouveau nombre magique N=32

L'équipe de recherche a mesuré pour la première fois directement la masse de l'argon-50 (^50Ar, 18 protons, 32 neutrons) et a amélioré d'environ 250 fois la précision de mesure de la masse de l'argon-49 (^49Ar) par rapport aux mesures précédentes. Les résultats ont été publiés en ligne le 6 août dans Physical Review Letters.

Le noyau atomique est composé de protons et de neutrons. Lorsque le nombre de protons ou de neutrons atteint une valeur spécifique, le noyau atomique présente une structure de « couche fermée » relativement stable, et ces valeurs spécifiques sont appelées « nombres magiques ». Ces dernières années, les indices expérimentaux de l'apparition d'un nouveau nombre magique N=32 dans le calcium-52 (^52Ca) ont attiré l'attention dans le domaine de la physique nucléaire, mais la question de savoir si ce nouveau nombre magique existe également dans les éléments voisins et comment son intensité varie nécessite encore davantage de vérifications expérimentales.

Dans cette expérience, les chercheurs ont utilisé le réservoir d'hélium et le spectromètre de masse à temps de vol multi-réflexions (MRTOF) du système CRISMASS pour extraire rapidement les isotopes radioactifs à courte durée de vie et mesurer leur temps de vol, atteignant une précision de masse de l'ordre de 10⁻⁷. Les pics correspondant à ^49Ar et ^50Ar ont été clairement observés dans les spectres expérimentaux, démontrant la capacité du système à résoudre des noyaux dont les différences de masse sont extrêmement faibles.

Sur la base des nouvelles données de masse obtenues, l'équipe de recherche a déduit des informations telles que l'énergie de l'intervalle de couche à deux neutrons liée à l'intensité du nombre magique. Les résultats confirment en outre que N=32 dans le calcium-52 constitue un nouveau nombre magique ; en parallèle, dans les isotopes d'argon, dont le nombre de protons est inférieur de 2 à celui du calcium, l'effet du nombre magique N=32 tend à s'affaiblir. Cela indique que l'intensité du nombre magique n'est pas fixe, mais varie en fonction du nombre de protons de l'élément.

L'étude a également comparé les résultats expérimentaux avec plusieurs calculs théoriques, révélant que les modèles théoriques reproduisent dans une large mesure la tendance selon laquelle « N=32 est fort dans le calcium et s'affaiblit dans l'argon ». L'équipe de recherche estime que ces résultats contribuent à approfondir la compréhension de la structure en couches des noyaux atomiques et des propriétés des noyaux à courte durée de vie, et fournissent une base expérimentale pour l'étude des processus de synthèse des éléments dans des environnements extrêmes tels que les étoiles, les explosions de supernovae et les fusions d'étoiles à neutrons.