La magie existe. Du moins, selon la recherche théorique en physique nucléaire, qui a identifié il y a plus de 70 ans des « nombres magiques » : 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126. Ceux-ci représenteraient le nombre idéal de neutrons ou de protons pour assurer une stabilité accrue des isotopes des différents éléments chimiques. Encore fallait-il le vérifier en laboratoire !
Dans la revue Nature, une équipe internationale a rapporté pour la première fois la formation d’oxygène-28 (28O) grâce à des collisions réalisées en cyclotron, dans les installations de l’institut de recherche RIKEN, au Japon. C’est une suite de bombardements hautement énergétiques qui a donné naissance à ce 28O. Le calcium-48 a été soumis à une fragmentation qui a donné naissance à divers atomes, dont le fluor-29. Lorsqu’il a été projeté sur une cible d’hydrogène liquide, un proton s’en est dissocié, entraînant la création de 28O.
Et après des décennies de recherche, coup de théâtre : l’élément obtenu ne se comporte pas comme le prédisait la théorie ! L’instabilité de 28O déstabilise les scientifiques.
Pour rappel, il existe différentes versions des éléments chimiques du tableau périodique. Prenons l’oxygène, par exemple : toutes ses formes contiennent le même nombre de protons (8), mais le nombre de neutrons peut varier – on parle alors d’isotopes. Certains isotopes sont stables, d’autres se désintègrent plus ou moins rapidement : tout dépend en fait de l’équilibre entre le nombre de protons et de neutrons. L’oxygène le plus commun, celui que nous respirons, est 16O. Ce qui est particulièrement remarquable avec lui, c’est qu’il est « doublement magique » avec ses huit protons et ses huit neutrons – un phénomène très rare.
Son homologue 28O est aussi doublement magique avec ses 8 protons et ses 20 neutrons, soit 12 de plus que 16O. Cependant, à la surprise de la communauté scientifique, « le 28O crache quatre neutrons presque instantanément à la suite de sa formation dans le cyclotron », indique Rituparna Kanungo, professeure de physique à l’Université Saint Mary’s, encore étonnée.
Cette scientifique associée au cyclotron canadien TRIUMF n’a pas participé à l’étude, mais elle s’y intéresse grandement puisqu’elle a aussi publié des travaux laissant croire que la théorie des nombres magiques pourrait ne pas tenir tout à fait la route. En 2009, elle a observé que la stabilité de 24O était supérieure aux prédictions, avec une demi-vie radioactive de 61 millisecondes, en dépit d’un nombre de neutrons pas du tout « magique ».
Ses travaux et les nouvelles recherches portant sur 28O soulignent la complexité de la force la plus puissante de la nature : celle qui retient les protons et les neutrons dans un noyau.
En quoi cela fait-il avancer la science ? Rituparna Kanungo rappelle que l’Univers est un cyclotron naturel. La fusion nucléaire au cœur du Soleil produit continuellement des isotopes, les plus stables se retrouvant sur les planètes environnantes. Comprendre les isotopes – de leur formation à leur désintégration – ouvre ainsi des fenêtres sur le passé et le présent de l’Univers, notamment sur les atomes qui composent la Terre.
L’atome qui défie la théorie - Québec Science
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