Le Labyrinthe Atomique : Décoder le Noyau de Carbone-12.

Patrick Lesggie




Carbon-12 Reveals Triangular Cluster Structures

Le 2 janvier 2024

Les chercheurs ont dévoilé la structure complexe du noyau de carbone-12, révélant que ses états d’énergie les plus bas se composent de clusters formant des formes triangulaires. Cette découverte par une collaboration internationale améliore notre compréhension de la formation du carbone dans l’Univers et s’aligne avec les données expérimentales existantes.

Une étude internationale a révélé les structures de cluster triangulaires dans le noyau de carbone-12, offrant des informations clés sur les origines et l’abondance du carbone dans l’Univers.

Carbone-12 : Clé de la chimie organique et de la vie

L’élément carbone est essentiel à la chimie organique et à la vie telle que nous la connaissons. La physique de son isotope le plus courant, le carbone-12, est extrêmement complexe. De nombreuses recherches expérimentales et théoriques ont été consacrées à la détermination des énergies et des structures sous-jacentes des états nucléaires du carbone-12.

Dans ce travail, les chercheurs ont calculé ces états à partir de premiers principes – les composants les plus basiques de la théorie de la physique. L’approche utilisée implique des supercalculateurs et des simulations nucléaires en réseau pour calculer la forme tridimensionnelle formée par les protons et les neutrons composant le noyau. Les résultats montrent que tous les états d’énergie basse du carbone-12 présentent une structure interne où les six protons et six neutrons se regroupent en particules alpha. Les particules alpha sont des noyaux d’hélium-4, qui contiennent deux protons et deux neutrons.

Nucleon Densities for Low-Lying States of Carbon-12

Densités de nucléons pour plusieurs états d’énergie basse du carbone-12. Chaque image est étiquetée avec le spin (de 0 à 3), le signe sous inversion de parité (+ ou -), et le nombre d’excitations (de 1 à 3). Crédit : Shihang Shen

L’état de Hoyle : une fenêtre sur la production stellaire de carbone

Un état nucléaire bien connu du carbone-12 est l’état de Hoyle. Cet état possède une énergie qui se situe près du seuil d’énergie pour trois particules alpha ou noyaux d’hélium. Cette énergie contribue donc grandement à la production de carbone dans les étoiles en fusionnant de l’hélium. Cela aide à expliquer la présence de carbone dans l’Univers.

Les résultats obtenus dans cette recherche montrent que l’état de Hoyle est composé d’une « branche pliée » ou d’un arrangement triangulaire obtus de particules alpha. Tous les états d’énergie basse du carbone-12 présentent une forme intrinsèque composée de trois particules alpha formant soit un triangle équilatéral, soit un triangle obtus. Les nouveaux résultats donnent des informations sur les formes géométriques possibles des états nucléaires.

Une collaboration mondiale dévoile la structure nucléaire du carbone-12

L’atome de carbone fournit l’épine dorsale de la chimie organique complexe composant les éléments constitutifs de la vie. La physique du noyau de carbone dans son isotope prédominant, le carbone-12, est également pleine de complexité. Des chercheurs de l’Université de Bonn, du Forschungszentrum Jülich en Allemagne, de l’Université islamique de Gaziantep des sciences et technologies en Turquie, de l’École supérieure de l’Académie chinoise de physique d’ingénierie, de l’Université d’État de Tbilissi et du Facility for Rare Isotope Beams de l’Université d’État du Michigan ont calculé la structure des états nucléaires du carbone-12 en utilisant le cadre ab initio de la théorie effective des champs nucléaires en réseau.

Les mystères géométriques et les origines cosmiques du carbone-12

La recherche a révélé que tous les états d’énergie basse du carbone-12 ont une forme intrinsèque composée de trois clusters alpha formant soit un triangle équilatéral, soit un triangle obtus. Les états avec une forme de triangle équilatéral ont également une double description en termes d’excitations particule-trou dans une image de champ moyen.

Les résultats concordent avec les données expérimentales et fournissent la première carte de densité indépendante du modèle des états nucléaires du carbone-12. Les résultats aident à expliquer les origines du carbone à partir de l’hélium et de l’hydrogène qui composaient l’Univers peu de temps après le Big Bang.

Cette recherche a été financée par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (la Fondation allemande pour la recherche), la Fondation nationale pour les sciences naturelles de Chine, l’initiative de bourse internationale du président de l’Académie chinoise des sciences, le fonds académique pour la sécurité nationale de Chine, la Fondation Volkswagen, le Conseil européen de la recherche, le Département de l’énergie et le projet Nuclear Computational Low-Energy Initiative SciDAC-4, ainsi que les ressources informatiques fournies par le Gauss Centre for Supercomputing e.V. et l’Oak Ridge Leadership Computing Facility.