Une étude, dont les résultats intitulés «Characterization of the shape-staggering effect in mercury nuclei» ont été publiés dans la revue Nature Physics, a permis, en associant de façon inédite physique nucléaire expérimentale et techniques de modélisation théoriques et informatiques, de révéler et d'expliquer toute l'étendue de l'alternance de formes pair-impair que présentent certains isotopes exotiques du mercure.

Rappelons tout d'abord que «les isotopes sont des variantes d'un élément qui contiennent le même nombre de protons dans leur noyau, mais un nombre de neutrons différent». L'intérêt des isotopes est que leurs propriétés «peuvent être exploitées de plusieurs manières, y compris pour la datation archéologique et historique (le carbone 14) ainsi que pour les diagnostics médicaux».

Comme «les isotopes stables ont une proportion optimale de protons et de neutrons», au fur et à mesure «que le nombre de neutrons augmente ou diminue, des changements structurels du noyau deviennent nécessaires, et l'isotope devient généralement instable». Autrement dit, «il va spontanément se transformer, par désintégration radioactive, jusqu'à devenir un isotope stable d'un autre élément»: de ce fait, «les isotopes dont le rapport entre le nombre de neutrons et de protons est très éloigné de l'optimal» ont en général «une durée de vie très courte, ce qui les rend difficiles à produire et à étudier en laboratoire».

Il se trouve qu'ISOLDE au CERN «est le seul endroit au monde où il est possible d'étudier une gamme aussi vaste d'isotopes exotiques». Ainsi, «l'une des premières expériences ayant fonctionné auprès de l'installation ISOLDE avait réalisé la première observation montrant des changements de formes très nets dans la chaîne des isotopes du mercure». Ce résultat, vieux de plus de 40 ans, «a montré que, même si la majorité des isotopes ayant un nombre de neutrons compris entre 96 et 136 ont un noyau sphérique, ceux contenant 101, 103 et 105 neutrons présentent un noyau fortement allongé, de la forme d'un ballon de rugby».

Comme, la découverte de cette différence de forme, qui «est restée l'un des résultats majeurs d'ISOLDE», était si importante «qu'elle en devenait difficile à croire», l'étude ici présentée a été entreprise «pour regarder de plus près comment, pourquoi et quand ces transitions de phase quantiques ont lieu» en utilisant «les techniques de la spectroscopie par ionisation laser, de la spectroscopie de masse et de la spectroscopie nucléaire».

Au bout du compte, l'étude «est non seulement parvenue à reproduire les résultats de l'expérience historique» en «observant les isotopes jusqu'au mercure181», «en produisant et en étudiant par-dessus le marché quatre isotopes exotiques supplémentaires (177-180)», mais elle a également «découvert le point auquel le changement de forme cesse et les isotopes de mercure adoptent à nouveau un comportement normal pour un isotope».

Alors que «plusieurs théories avaient été élaborées pour tenter de décrire le phénomène» sans qu'aucune ne parvienne «à fournir une explication complète», cette étude, grâce aux nouvelles améliorations de la source d'ions RILIS (Resonance Ionisation Laser Ion Source)» a été «en mesure d'examiner la structure nucléaire de ces isotopes». Surtout, «en utilisant l'un des superordinateurs les plus puissants au monde, des théoriciens basés au Japon ont réalisé les calculs les plus ambitieux à ce jour sur le 'modèle en couches' nucléaire».

Concrètement, «ces calculs ont identifié les composants microscopiques qui entraînent le changement de forme» et il est apparu «que quatre protons sont excités au-delà du niveau prédit à partir de la manière dont les autres isotopes stables se comportent» et qu'ils «se combinent avec huit neutrons» entraînant «le changement de forme nucléaire vers l’ovale».

En réalité, «les deux formes nucléaires sont possibles pour chaque isotope du mercure, selon que ce dernier est dans l'état fondamental ou dans un état excité, mais, dans leur état fondamental, la plupart ont un noyau sphérique (c'est-à-dire en forme de ballon de football)». Cependant, il est remarquable «que, pour trois des isotopes, c’est la forme allongée d'un ballon de rugby qui constitue l’état fondamental».