Dans un noyau atomique, la promiscuité règne généralement : les protons et les neutrons sont serrés comme des passagers à l'heure de pointe. Mais pour le béryllium-11, c'est différent. L'un des neutrons se tient à distance respectueuse des autres, formant un nuage diffus — un halo nucléaire. Un tel noyau évoque une planète avec un satellite sur une orbite très allongée.
Pour comprendre la structure de ce noyau exotique, les physiciens ont mené une expérience sur le dispositif AT-TPC à l'intérieur du solénoïde SOLARIS. Ils ont bombardé des noyaux de béryllium-10 avec des deutérons (noyaux d'hydrogène lourd) et ont suivi la naissance du béryllium-11. Grâce aux angles de diffusion des particules, ils ont pu reconstituer quels états du noyau sont excités et quelle énergie ils portent. Un état a particulièrement retenu l'attention : celui d'énergie 3,40 MeV. Il s'est avéré que ses propriétés s'expliquent le mieux si on lui attribue une parité positive et un spin 3/2. Cela signifie que le neutron du halo se déplace sur une orbite avec une symétrie définie, comme un électron dans un atome.
La comparaison avec des calculs de pointe, où le noyau est modélisé à partir des premiers principes, a montré un bon accord. Cela renforce la conviction que l'état à 3,40 MeV est le deuxième état excité de la bande rotationnelle construite sur l'état fondamental avec halo. En d'autres termes, le noyau avec halo peut tourner comme un tout, et le neutron-satellite participe à cette danse.
L'étude du béryllium-11 est un pas vers la compréhension du comportement des noyaux à la limite de l'existence. Ces noyaux ne vivent que des fractions de seconde, mais ce sont eux qui naissent dans les étoiles et qui déterminent les voies de la nucléosynthèse dans l'Univers.
Le noyau de béryllium-11 avec son halo est comparable en taille au noyau de plomb, bien qu'il contienne vingt fois moins de particules.