Sphérique et déformé: la schizophrénie des noyaux magiques se confirme à Alto
Publié par Adrien le 17/11/2016 à 00:00
Source: CNRS-IN2P3
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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) exotique, impliquée par exemple dans des phénomènes cosmologiques comme l'évolution des étoiles et la formation de la matière terrestre.

Les noyaux des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un noyau...) se composent de protons et de neutrons, les nucléons. En 1963, Maria Goeppert-Mayer et Hans Daniel Jensen recevaient le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des figures...) pour avoir découvert que lorsque ce nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) 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 (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) 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 (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) ou du soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.). Pour le magnésium-32 (N=20), il s'agit d'un état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états...) déformé, tandis que pour le soufre-44 (N=28), différentes formes de noyau (sphérique ou non) peuvent coexister.

Ces observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation...) 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 (Une vallée est une dépression géographique généralement de forme allongée et façonnée dans le relief par un cours d'eau (vallée fluviale) ou un glacier (vallée glaciaire). Un...) de stabilité 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) 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 (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) d'Orsay (IPNO) et du Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (CSNSM) , en collaboration avec des collègues de différents pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui...), 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 (Le terme fermeture renvoie à :) 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 (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet...) 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 (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau...) 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 (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) performant de détection de particules bêta (qui signe la décroissance), de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) gamma et d'électrons de conversion qui caractérisent les états excités du noyau fils, peuplés dans la décroissance. Un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel...) Si(Li) refroidi à l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) 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 (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation...) 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 (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) 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 (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la...) le noyau clef (Au sens propre, la clef ou clé (les deux orthographes sont correctes) est un dispositif amovible permettant d'actionner un mécanisme.) 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 (Graphie) de référence et montre que cette région "exotique" de la carte des noyaux recèle encore bien des mystères.


L'installation Alto. © C. Frésillon/CNRS
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