D’un gaz d’atomes ultrafroids à un noyau atomique exotique, certains systèmes très différents obéissent aux mêmes lois : c’est l’universalité. Un exemple célèbre est l’effet Efimov, où trois particules en interaction faible forment une série d’états liés bien qu’aucune paire ne se lie seule. Ce phénomène, observé dans les gaz quantiques, ne dépend que de quelques paramètres globaux, pas des détails microscopiques. Peut-on retrouver une telle universalité au cœur des noyaux atomiques, malgré leur complexité ? L’étude du noyau d’hélium-10 (¹⁰He), composé d’un cœur d’⁸He (lui-même fait de 2 protons et 6 neutrons) et de deux neutrons, apporte une réponse spectaculaire. Produit à l’installation RIBF (RIKEN) et analysé grâce à une mesure de haute précision, le spectre en énergie relative des constituants a été remarquablement bien reproduit par un modèle théorique à trois corps. Les résultats révèlent que l’état fondamental de l’ ¹⁰He est une résonance à trois corps, régie par une nouvelle forme d’universalité. Ce comportement ne dépend que de conditions très générales — une interaction forte entre neutrons, plus faible avec le cœur — et non des détails spécifiques du noyau. C’est la première observation d’une résonance universelle dans un noyau non lié à halo de deux neutrons, confirmant des prédictions récentes. Cette découverte ouvre la voie à une compréhension unifiée de l’émergence des structures complexes à partir d’interactions simples.
En physique, il existe une idée à la fois simple et profondément surprenante : des systèmes extrêmement différents peuvent obéir aux mêmes lois, présenter les mêmes structures, voire se comporter de façon quasi identique. Ce phénomène est appelé universalité. On le rencontre dans des domaines très variés. Par exemple, des gaz d’atomes ultrafroids, des noyaux atomiques ou même certains systèmes de matière condensée peuvent partager des propriétés communes, malgré des échelles de taille et d’énergie totalement différentes. Ce qui compte alors, ce ne sont plus les détails microscopiques, mais quelques paramètres globaux — en particulier la manière dont les particules interagissent à basse énergie.
Trois corps, une physique universelle
L’un des exemples les plus fascinants d’universalité apparaît dans les systèmes à trois corps. Lorsque les interactions entre particules sont faibles mais étendues (autrement dit, elles ont une grande “longueur de diffusion”), ces systèmes peuvent développer des comportements inattendus. Dans les années 1970, le physicien Vitaly Efimov a montré qu’un trio de particules peut former une série d’états liés, même si aucune paire de particules ne peut se lier seule. Ces états dits d’Efimov ont été observés dans des gaz atomiques ultrafroids. Ils constituent un exemple spectaculaire d’universalité : leur structure ne dépend presque pas de la nature des particules, mais seulement de quelques paramètres globaux.
Et dans les noyaux atomiques ?
Peut-on observer une telle universalité dans un système complexe avec des interactions à différentes échelles comme le noyau atomique ?
C’est précisément dans ce contexte que s’inscrit notre étude du noyau hélium-10 (10He), un système exotique composé d’un cœur (8He) et de deux neutrons supplémentaires [1]. Ce noyau extrêmement instable a été produit en faisant interagir un faisceau de 11Li produit par l’accélérateur de RIBF à RIKEN sur la cible d’hydrogène liquide du système MINOS [2 ref FM MINOS]. Le spectre d’énergie relative 8He-n-n a été mesurée via la technique dite de masse invariante avec une précision statistique inédite, grâce à la haute luminosité assurée par le couplage des faisceaux radioactifs intenses de RIBF et la cible épaisse de MINOS (15 cm). De plus, l’efficacité du détecteur de neutrons NEBULA et le tracking du vertex assuré par MINOS permettent de reconstruire un spectre de bonne qualité (voir Fig. 1). Un calcul théorique du spectre d’énergie relative 8He-n-n basé sur un modèle à trois corps du 11Li et d’arrachage « quasi-libre » d’un proton sur ce dernier, permet de bien reproduire le spectre mesuré.
Une nouvelle forme d’universalité
Ce calcul théorique, corroboré par d’autres observations expérimentales des corrélations à 3 corps dans l’espace des moments (via la représentation en coordonnées de Jacobi T et Y) issues de ces mêmes données, suggère que l’état fondamental de l’ 10He correspond à une résonance à trois corps, où les trois particules interagissent essentiellement sans moment angulaire (on parle d’onde s). Dans un système à deux corps, une telle configuration ne peut pas produire une résonance étroite : il n’y a pas de barrière pour “contenir” les particules. Mais à trois corps, un phénomène collectif apparaît : une interaction effective à longue portée se met en place entre les trois particules.
Contrairement à l’effet d’Efimov, où cette interaction est attractive, ici elle est répulsive. Et pourtant, elle génère une barrière effective qui permet l’apparition d’une résonance.
Ce comportement ne dépend pas des détails précis du noyau. Il résulte de propriétés générales:
- une interaction forte entre neutrons,
- une interaction plus faible entre le cœur et les neutrons,
- et la dynamique collective du système à trois corps.
Ces conditions conduisent à une structure dite universelle, prédite théoriquement récemment dans les noyaux halo à deux neutrons avec faible énergie de séparation des deux neutrons [3], et observée ici pour la première fois sous forme d’un état résonnant dans un noyau non lié.
Pourquoi est-ce important ? Ce résultat ouvre une perspective plus large : celle d’une physique unifiée des systèmes à quelques corps, indépendante du contexte spécifique.
Comprendre ces lois universelles permettrait de relier des domaines très éloignés (physique nucléaire, atomique, matière condensée), prédire de nouveaux états de la matière, et mieux comprendre comment des structures complexes émergent à partir d’interactions simples.
Références :
[1] Sun, Y.L., Kikuchi, Y., Corsi, A., Kubota Y. et al. Identification of a universal three-body s-wave resonance in 10He. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71138-z
[2] FM MINOS : https://irfu-i.cea.fr/dphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=3661
[3] Hongo, M. & Son, D. T. Universal properties of weakly bound two-neutron halo nuclei. Phys. Rev. Lett. 128, 212501 (2022).