Une condensation Bose-Einstein dans des noyaux atomiques

Des travaux théoriques menés depuis les années 2000 prédisaient pour certains états excités de noyaux légers une condensation alpha de type Bose-Einstein. En étudiant les produits de fragmentation de projectiles 40Ca produits dans des collisions d'ions lourds auprès du cyclotron supraconducteur du Laboratoire national du Sud à Catane (Italie), les physiciens de la collaboration Isospin (CNRS(1), NIPNE Bucarest(2), INFN et Universités italiennes(3), CEA(4)) viennent de montrer qu'un état excité du 12C se désexcite en particulier par une émission simultanée de trois particules alpha de même énergie. Ces résultats, qui signent de manière directe l'état condensat présent dans ce noyau, sont publiés dans la revue Physics Letter B(5).


"C'est une belle théorie, mais contient-elle quelque chose de vrai ?". C'est par ces mots qu'en 1924 Einstein commente, sur la base du papier de Bose consacré à la description des quanta de lumière, l'étonnante prédiction qu'il vient d'obtenir quant au comportement à très basse température d'un gaz parfait. Selon ses calculs, un tel gaz "condense" au-dessous d'une certaine température critique, en ce sens qu'une fraction importante des composants identiques adopte simultanément le même état d'énergie minimale. Il faudra attendre 1938, après la découverte de la superfluidité de l'hélium liquide pour que London ait l'intuition que la superfluidité était une manifestation de la condensation de Bose-Einstein. Enfin, en 1995, en combinant différentes techniques de refroidissement, les équipes expérimentales de Cornell et du MIT obtenaient les températures et densités requises et observaient la condensation de Bose-Einstein pour des vapeurs de rubidium et de sodium.

Pour les noyaux atomiques, c'est à partir des années 2000 que des travaux théoriques sont apparus après qu'il ait été montré que dans la matière nucléaire symétrique (égal nombre de protons et de neutrons) à faible densité, une condensation sous forme de particules alpha était favorisée. Quels sont les résultats pour les noyaux atomiques ? Par exemple, le premier état excité 0+ du carbone, le fameux état de Hoyle au rôle crucial pour la nucléosynthèse du carbone dans l'Univers, est l'un des états décrits par un condensat de particules alpha. Son volume est trois fois plus grand que celui du noyau dans l'état fondamental et les particules alpha se comportent majoritairement comme les atomes d'un gaz qui "condense". Expérimentalement, pour tester ces prédictions, la situation est a priori très délicate puisqu'il faut, après avoir produit ces états excités, détecter et identifier leur décroissance en trois particules alpha d'égale et très faible énergie cinétique.

La solution a consisté à produire ces noyaux excités à grande vitesse dans le laboratoire. Bénéficiant ainsi d'une grande vitesse d'entraînement la caractérisation de leurs décroissances ainsi que l'identification et la mesure des particules alpha émises se fait dans d'excellentes conditions expérimentales si l'on dispose d'une détection à très haute granularité. La fragmentation de projectiles 40Ca à l'aide de collisions d'ions lourds a produit les noyaux avec l'état excité désiré et le multi-détecteur Chimera, installé à Catane et composé de 1192 modules de détection, a détecté les décroissances recherchées. Il a été ainsi mesuré que 7,5 ± 4.0 % de la décroissance par particule alpha se fait de manière directe avec trois particules de même énergie signant ainsi les propriétés énergétiques d'un condensat. Les calculs théoriques indiquent que l'état de Hoyle est constitué à 70% par des particules alpha dans le même état de plus basse énergie. Nous savons aussi que si, au moment de la désexcitation de l'état, deux particules alpha sont suffisamment voisines alors la désexcitation se fera de façon séquentielle avec une première émission d'une particule alpha puis la décroissance du noyau 8Be, instable dans son niveau fondamental. La balle est maintenant à nouveau dans le camp des théoriciens pour calculer la probabilité de décroissance avec trois particules alpha de même énergie et confronter le résultat à l'expérience.

Notes:

(1) CNRS/IN2P3: Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS. Laboratoires IN2P3 impliqués dans la collaboration Isospin: Institut de physique nucléaire d'Orsay – IPNO (CNRS/Université Paris Sud 11), Institut de physique nucléaire de Lyon – IPNL (CNRS/Université Claude Bernard), Laboratoire de physique corpusculaire – LPC Caen (CNRS/Université de Caen Basse-Normandie/EnsiCaen), Grand accélérateur national d'ions lourds – Ganil (CNRS/CEA).

(2) NIPNE: Institut national de physique et d'ingénierie nucléaire, Bucarest, Roumanie.

(3) INFN: Istituto nazionale di fisica nucleare. Laboratoires INFN impliqués dans la collaboration Isospin: Laboratori nazionali del sud – LNS Catania, Sezione di Catania, Sezione di Bologna. Universités italiennes: Università di Catania, Università di Bologna, Università di Enna.

(4) CEA/DSM: Direction des sciences de la matière du CEA.

(5) "Evidence for alpha-particle condensation in nuclei from the Hoyle state deexcitation", Physics Letters B 705, 65 (2011)