Une étude, dont les résultats intitulés «Unexpectedly large charge radii of neutron-rich calcium isotopes» ont été publiés dans la revue Nature Physics, a permis de mesurer, pour la première fois, le rayon d’un noyau de calcium constitué de 32 neutrons. Cette mesure, effectuée en vue de déterminer si le calcium possède plus de deux nombres magiques, prouve que certaines théories de physique nucléaire ne décrivent pas les noyaux atomiques aussi bien qu’on ne le pensait.

Rappelons tout d'abord qu'on parle de nombres magiques «lorsque le nombre de protons et le nombre de neutrons est tel que la liaison entre eux est particulièrement forte» de sorte que «leur rayon de charge s’en trouve affecté». Jusqu'ici, les observations précédentes laissaient penser «que le calcium 52, isotope constitué de 20 protons et de 32 neutrons, était doublement magique, le nombre de protons et de neutrons étant tous les deux des nombres magiques».

Pour le vérifier, l'étude ici présentée a examiné au moyen de lasers «la manière dont se modifient les rayons des isotopes du calcium à mesure que des neutrons sont ajoutés» en effectuant les mesures grâce à l’installation COLLAPS d’ISOLDE, sachant que «le calcium possédant un nombre magique de 20 protons a déjà deux isotopes doublement magiques», le calcium 40 et le calcium 48 (pour 20 et 28 neutrons).

Plus précisément, pour déterminer le rayon de charge du noyau, des lasers ont été employés afin de «mesurer les modifications de l'énergie des électrons entourant le noyau, en fonction du nombre de neutrons de l’isotope du calcium» avec «la précision et la sensibilité les plus élevées jamais atteintes au moyen de techniques de détection optique».

Il est alors apparu que le rayon de charge augmentait avec le nombre de neutrons ajoutés alors que, «sur la base d’observations faites sur d’autres noyaux doublement magiques», on aurait pu s'attendre «à un fléchissement relatif du rayon de charge si le calcium 52 avait été doublement magique lui aussi».

Comme, «plusieurs modèles avaient déjà permis d’effectuer des calculs montrant ce qui se passerait», sans qu'aucun ne prédise «une augmentation du rayon aussi grande que ne l’a montré l’expérience», cette étude a «mis en lumière des lacunes dans nos connaissances».