Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. À l'intérieur, comme dans un minuscule aimant, il possède sa propre distribution d'aimantation. Jusqu'à présent, il était difficile de l'observer : les noyaux vivent des fractions de seconde à peine, et leur champ magnétique est faible. Désormais, des physiciens du CERN ont trouvé un moyen de regarder à l'intérieur.
Ils ont pris un isotope à vie courte, le potassium-47, et l'ont placé dans un champ magnétique intense. Le noyau, telle l'aiguille d'une boussole, s'est mis à tourner autour de la direction du champ — c'est ce qu'on appelle la précession de Larmor. La fréquence de cette rotation a été mesurée avec une précision d'un millionième. Grâce aux infimes écarts de fréquence par rapport aux valeurs calculées, ils ont pu déterminer comment l'aimantation est répartie à l'intérieur du noyau : quelle part est due aux spins (la rotation propre des particules) et quelle part à leur mouvement orbital.
La comparaison avec la théorie a réservé une surprise : les calculs surestiment la contribution du spin. Même en tenant compte des effets complexes d'interaction entre particules, la théorie ne concorde pas avec l'expérience. En revanche, lorsque les scientifiques ont pris la forme spatiale de l'aimantation issue d'une autre théorie, tout correspondait. Le problème ne vient donc pas de la quantité totale de magnétisme, mais de la manière dont il est « réparti » dans le noyau.
Cette nouvelle méthode est une fenêtre ouverte sur le cœur de l'atome. Elle aidera à tester les théories de la structure nucléaire et à rechercher des traces de nouvelles particules qui pourraient influencer les propriétés magnétiques des atomes. Le petit noyau de potassium est devenu une pierre de touche pour la grande physique.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.20090
To date, the magnetic structure of nuclei has been poorly constrained, with limited information on its spatial distribution. In this work, we address the composition and distribution of nuclear magnetization in a precision study of short-lived $$^{47}$$K. We measure the Larmor frequency with part-per-million precision using liquid-state $$\beta$$-detected nuclear magnetic resonance at CERN-ISOLDE, improving determination of the experimental differential hyperfine anomaly relative to $$^{39}$$K by more than an order of magnitude. By combining these experimental results with relativistic all-orders atomic calculations and nuclear density functional theory, we obtain the relative spin and orbital contributions to the nuclear magnetic moments. Our analysis reveals an overestimation of the spin contribution predicted by nuclear theory, that persists even after considering two-body currents. Conversely, we show that the measured hyperfine anomaly is reproduced when adopting the spatial distribution of nuclear magnetization provided by density functional theory. The methodology introduced in this work establishes a means to probe the detailed magnetic structure of the nucleus. This is critical for benchmarking nuclear structure theory and calculations of symmetry-violating nuclear moments relevant to searches for physics beyond the Standard Model in atoms and molecules.
Le noyau de potassium-47 ne vit que 17 secondes, mais il a le temps de révéler sa structure magnétique.