L'étrange déformation d'un noyau atomique exotique excité

Publié par Michel le 06/09/2005 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: CNRS Photothèque - ENGUERRAND Jean-Michel
Une collaboration internationale, à laquelle participent des physiciens du CNRS/IN2P3 et du CEA, vient de mesurer, au Ganil (Grand accélérateur national d'ions lourds), pour la première fois au monde, la déformation d'un noyau atomique "excité" produit par fragmentation d'un faisceau de noyaux stables. Les premiers résultats montrent que le noyau est aplati comme une citrouille (La citrouille (Cucurbita pepo) est une plante annuelle appartenant au genre Cucurbita et à la famille des Cucurbitaceae. C'est aussi le nom de son fruit volumineux, de...). La forme d'un noyau excité est l'un des paramètres les plus difficiles à sonder de la physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :). L'accès à ce paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) va permettre aux chercheurs d'améliorer leur description des noyaux atomiques et d'affiner ainsi les modèles de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), utilisés pour étudier de nouvelles filières énergétiques ou les réactions qui se déroulent dans les étoiles.

Aujourd'hui les chercheurs utilisent des accélérateurs de particules pour produire de nouveaux 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...) radioactifs. Ces atomes ont des noyaux dits exotiques, qui ne comportent pas le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) normal de protons et de neutrons. Dans le "grand dictionnaire des noyaux exotiques" que les physiciens ont beaucoup enrichi ces dernières années, on trouve des paramètres tels que la durée de vie (La vie est le nom donné :), la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...), l'aimantation et la forme. Ces paramètres servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à décrire les noyaux et à vérifier que les modèles actuels sont conformes à la réalité physique. Ces paramètres et ces modèles sont également utiles là où l'on rencontre des noyaux radioactifs, par exemple pour l'étude de filières d'énergie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) (1) ou dans les étoiles, gigantesques chaudrons où se produisent d'innombrables réactions nucléaires.

Les physiciens travaillant au Ganil ont déterminé la forme d'un noyau exotique dans un état excité bien particulier appelé "isomère". Les états excités sont des états d'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.) supérieure à l'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...) (l'état dans lequel se trouve normalement le noyau). Ils ont en majorité des durées de vie infiniment brèves, bien inférieures à la picoseconde. Les isomères, en revanche, "survivent" plus longtemps (plusieurs centaines de nanosecondes). Sortes de jumeaux des états fondamentaux, les isomères fournissent aux théoriciens un point (Graphie) de comparaison permettant de mettre en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) la structure du noyau (2). Toutefois leur durée de vie reste courte, ce qui rend leur étude particulièrement délicate.

Le noyau exotique considéré est le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie...) 61, avec 26 protons et 35 neutrons (le fer normal en comportant 30). Les isomères de fer ont été produits en projetant du nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.), accéléré à une vitesse (On distingue :) de 100 000 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide...) par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle plan. La...), sur une cible de beryllium. Le noyau de nickel se casse et les fragments sont triés à l'aide de Lise (Ligne d'Ions Super Epluchés), l'un des spectromètres du Ganil. Le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de vie de l'isomère de fer recherché étant de 245 nanosecondes, il faut rapidement l'étudier avant qu'il ne se désexcite. De fait, la moitié des noyaux produits disparaît avant d'atteindre le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie,...) de cadmium (Le cadmium est un élément chimique de symbole Cd et de numéro atomique 48.) qui permet de réaliser la mesure. Le champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des...) régnant à l'intérieur du cristal révèle l'existence d'une déformation. Le noyau est aplati, ressemblant à une citrouille. C'est la première fois que la déformation d'un noyau exotique excité produit par fragmentation est possible. Cette méthode ouvre une nouvelle voie dans l'étude des noyaux exotiques loin de la stabilité.

La méthode de mesure: faire tourner les noyaux comme des toupies

La structure cristalline du cadmium est hexagonale. Le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique régnant au cœur de ce cristal n'est pas homogène. Lorsqu'un noyau vient s'y loger, il est soumis à ce champ. Si la distribution des charges dans le noyau n'est pas sphérique, les inhomogénéités du champ créent une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) qui met le noyau en rotation. Or, lors de leur implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) dans le cristal, les noyaux sont orientés suivant une direction connue, obtenue grâce au processus de fragmentation qui "coupe" le noyau selon des axes définis. Les physiciens observent le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) émis par les isomères lorsqu'ils se désexcitent (il s'agit de rayons gamma). Sa direction trahit l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) du noyau. Comme les noyaux tournent, l'axe d'émission des rayons gamma varie en fonction du temps. Il est donc possible de suivre cette rotation, en regardant la direction selon laquelle sont émis les rayons gamma. Cette rotation est directement liée à la forme du noyau étudié.

(1) De même que la filière de l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant...) synthétise de nouveaux noyaux tel que le plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et toxique, découvert aux...), les futures filières alternatives aujourd'hui à l'étude produiront également leurs propres noyaux radioactifs.
(2) De même qu'il est nécessaire de connaître le comportement de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans diverses conditions de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) et de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) (glace, vapeur (), etc) pour bien comprendre la nature des interactions entre les molécules de l'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) et donc pour bien décrire ce corps, il est également nécessaire d'étudier divers états du noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite que celle de l'atome (10-10 m) et concentre...) pour en connaître la nature.


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