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Nouvelle scientifique

 

Le 15 novembre 2016

 

 

Sphérique et déformé : la "schizophrénie" des noyaux magiques se confirme à Alto

 

Des chercheurs du CNRS et de l’Université Paris-Sud travaillant auprès de l’installation Alto ont mis en évidence une configuration déformée à très basse énergie dans l’isotope très riche en neutron de germanium-80, proche du nickel-78. Ces résultats, publiés dans la revue Physical Review Letters, constituent une avancée importante dans l’étude du comportement de la matière exotique, impliquée par exemple dans des phénomènes cosmologiques comme l’évolution des étoiles et la formation de la matière terrestre.

 

Les noyaux des atomes se composent de protons et de neutrons, les nucléons. En 1963, Maria Goeppert-Mayer et Hans Daniel Jensen recevaient le prix Nobel de physique pour avoir découvert que lorsque ce nombre de protons et/ou neutrons est égal à certaines valeurs dites "nombres magiques" (2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126), les noyaux présentent des structures particulières, en quelque sorte plus robustes que celles de leurs voisins et associées à une forme sphérique.

Ces noyaux ont constitué ensuite des points de référence pour la prédiction des propriétés de nombreux autres. En particulier, la découverte de ces "nombres magiques" a permis de donner naissance à un nouveau mode de représentation du noyau : le modèle des couches nucléaires. Basée sur une analogie avec la physique atomique, ce modèle permet d’expliquer de nombreuses propriétés nucléaires comme étant dues uniquement aux mouvements des nucléons de valence au-dessus d’un cœur inerte composé de nombres magiques de protons et neutrons.

Pendant très longtemps, on a considéré que la forme sphérique était l’un des signes distinctifs de ces noyaux. Or dans les années 80, les chercheurs ont commencé à observer des formes non-sphériques de noyaux magiques, par exemple sur des isotopes du magnésium, du silicium ou du soufre. Pour le magnésium-32 (N=20), il s’agit d’un état fondamental déformé, tandis que pour le soufre-44 (N=28), différentes formes de noyau (sphérique ou non) peuvent coexister.

Ces observations avaient alors bouleversé la compréhension de la structure des noyaux magiques. Elles avaient permis de comprendre que les propriétés nucléaires (rigidité, sphéricité…) habituellement rencontrées pour les noyaux magiques de la vallée de stabilité 1 ne l’étaient plus pour certains noyaux très riches en neutrons. A contrario, ces propriétés étaient retrouvées pour des noyaux possédant d'autres nombres de protons et de neutrons que ceux de la série historique 2, 8, 20 etc., conduisant à l'idée "d'apparition" de nouveaux nombres magiques.

 

Energie d’excitation des états 0+ des noyaux possédant 48 neutrons, en fonction du nombre de protons, Z. Les points noirs sont les données expérimentales. Celui provenant de cette expérience est à l’abscisse Z=32 (élément Germanium). La figure montre également une analyse quantitative des termes de l’énergie de liaison des configurations déformées de ces noyaux : à partir d’une position non perturbée Eunp, s’ajoutent les termes d’appariement conduisant à la zone violette puis les contributions d’autre nature (monopolaire et quadrupolaire) représentées en rouge et orange qui s’ajoutent entre elles et à la précédente pour aboutir à la région verte. © D. Verney/CNRS/Université Paris-Sud.


A la suite de cette découverte, il était important de savoir si le phénomène s’étendait à d’autres régions de la table des noyaux et de comprendre les mécanismes sous-jacents à son éventuelle universalité. Ainsi, des chercheurs de l’Institut de physique nucléaire d’Orsay (IPNO) et du Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (CSNSM)2 , en collaboration avec des collègues de différents pays3, ont mené des expériences auprès de l’installation Accélérateur linéaire et tandem à Orsay (Alto). Pour cela, ils ont étudié des noyaux proches du nickel-78 et de la fermeture de couche N=50.

Ces noyaux, plus lourds que ceux étudiés par les expériences précédentes, sont particulièrement exotiques et donc difficiles à obtenir. Par exemple, l’étude de la structure interne de nickel-78 ne commence à devenir expérimentalement accessible que depuis un ou deux ans..

 

Un dispositif expérimental de dernière génération

Des indications expérimentales préliminaires et indirectes, accumulées sur les noyaux proches du nickel-78, semblaient converger vers une coexistence de formes sphériques et non-sphériques, comme pour la région du silicium-42 (N=28). Les scientifiques ont donc tenté d’apporter des preuves plus directes. Pour ce faire, ils ont utilisé l’intensité nominale de 10µA du faisceau d’électrons d’Alto pour produire un faisceau secondaire pur d’isotope de gallium-80 (possédant 9 neutrons de plus que son isotope stable le plus proche) par la technique Isotopic Separation On Line (Isol).

Les isotopes de gallium-80 étaient collectés sur une bande de mylar aluminisé. Ces noyaux exotiques décroissaient vers le noyau fils germanium-80, dont la structure a pu être étudiée grâce à un ensemble performant de détection de particules bêta (qui signe la décroissance), de rayonnement gamma et d’électrons de conversion qui caractérisent les états excités du noyau fils, peuplés dans la décroissance. Un détecteur Si(Li) refroidi à l’azote liquide pour la détection des électrons de conversion a permis la mise en évidence d’une transition monopolaire électrique E0, indiquant que le premier état excité de germanium-80 était en fait de spin-parité 0+, au lieu de 2+ comme c’est le cas dans les isotopes de germanium de masse inférieure, moins exotiques.

La présence d’un état 0+ à une si faible énergie d’excitation est une surprise, et signifie que l’énergie de liaison de cet état est presque égale à celle de l’état fondamental qui est de forme sphérique. Or, la seule manière d’expliquer une si grande énergie de liaison pour ce second état 0+ de germanium-80 est d’imaginer que les nucléons s’arrangent dans une configuration très particulière, appelée "intruse" dans le langage du modèle des couches nucléaires, conférant au noyau une forme globale non-sphérique.

La figure ci-dessus illustre un scénario qui permet d’expliquer comment différentes composantes de l’interaction nucléaire se conjuguent pour apporter cette énergie de liaison supplémentaire à cette configuration particulière. Ainsi, contrairement à ce qui se passe habituellement pour ce type de noyaux où le mode d’excitation 2+ est le plus favorable et met en jeu un très petit nombre de nucléons (en général une paire), le germanium-80 quant à lui préfère changer de forme intrinsèque dès son premier niveau d’excitation, un processus qui implique un nombre plus élevé de nucléons (on parle d’excitation collective).

Qu’un tel phénomène se produise si proche du "croisement" des nombres magiques 28 et 50, formant le noyau clef nickel-78, était inattendu car la "rigidité" que ces nombres de nucléons sont supposés apporter à la structure des noyaux défavorise fortement ce type d’excitations collectives qui sont alors observées à grande énergie d’excitation. Cela remet en question la possibilité d’utiliser le noyau du nickel-78 comme point de référence et montre que cette région "exotique" de la carte des noyaux recèle encore bien des mystères.

 

L’installation Alto. © C. Frésillon/CNRS


Référence bibliographique :

A. Gottardo et al., First Evidence of Shape Coexistence in the 78Ni Region: Intruder 02+ State in 80Ge, Phys. Rev. Lett. 116, 182501, disponible sur http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.182501

 

Notes :

1 En physique nucléaire, la "vallée de stabilité" désigne la zone où se situent les isotopes stables sur un graphique portant en abscisse le numéro atomique et en ordonnée le nombre de neutrons de chaque isotope connu.

2 L’IPNO et le CSNSM sont des laboratoires communs entre le CNRS et l’Université Paris Sud.

3 L’article scientifique annonçant ces résultats est co-signé par des chercheurs travaillant au Canada, en Finlande, en Italie, en Roumanie et en Russie.

 

Pour en savoir plus :

 

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