Un miroir nucléaire déformant

Publié par Redbran le 16/04/2021 à 13:00
Source: CEA IRFU

Illustration: CEA-IRFU
Deux noyaux "miroirs", dans lesquels les nombres de neutrons et de protons sont intervertis, ont des formes très différentes, ce qui défie les théories nucléaires actuelles. Ce résultat frappant a été obtenu par des chercheurs de l'Irfu en collaboration avec une équipe internationale et a été récemment publié dans Physics Review Letter [1] et mis en avant comme suggestion de l'éditeur [2].

Qu'est-ce que la symétrie d'isospin

Le développement des théories nucléaires a été facilité par une symétrie postulée de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) forte qui maintient les nucléons ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...). Cette interaction considère les neutrons et les protons comme deux états (presque) dégénérés, appelés états d'isospin, de la même particule, le nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons...). On s'attend donc à ce que les noyaux ayant la même quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) totale de nucléons présentent les mêmes propriétés, par exemple la même forme. Cependant, cette symétrie "isospin" n'est pas exacte. En effet, contrairement à l'interaction forte, l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...) est sensible à une différence majeure entre proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) et neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.): leurs charges électriques, positives pour le proton, et neutres pour le neutron comme son nom l'indique. La rupture de la symétrie d'Isospin peut ainsi être repérée, par exemple, dans la légère différence de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) entre proton et neutron.

Les noyaux miroirs, la meilleure sonde pour étudier la symétrie d'isospin

Les noyaux ayant le même nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de nucléons, mais dont les protons et les neutrons sont intervertis, sont appelés noyaux miroirs et constituent l'une des meilleures sondes pour étudier la symétrie d'isospin. Mais du fait de la répulsion coulombienne, les noyaux comportant plus de protons que de neutrons sont très instables et difficiles à produire en laboratoire. En raison de leur taux de production extrêmement faible, on a pu, par le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...), étudier principalement leurs premiers états excités, mais pas leurs propriétés électromagnétiques, telles que les probabilités de transition des états excités.

La situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) n'a changé que récemment avec l'arrivée de la deuxième génération d'installations délivrant des faisceaux d'ions radioactifs (Radioactive Ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) Beam Factories, ou RIBF), comme celle du RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) au Japon, où ces noyaux sont produits avec une intensité beaucoup plus élevée qu'auparavant. Ces probabilités de transition sont directement liées à la distribution des protons et des neutrons à l'intérieur des noyaux, offrant un moyen pratique de confirmer si la symétrie isospin est un bon miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...) pour les noyaux, comme le prévoit la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...).

Où et comment ces noyaux miroirs peuvent-ils être étudiés ?

Au RIBF, l'équipe a produit différents noyaux ayant le même nombre de masse (Le nombre de masse (A) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre...) de A=70: krypton (Le krypton est un élément chimique, de symbole Kr et de numéro atomique 36.) (Z=36 protons et N=34 neutrons), brome (Le brome est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Br et de...) (35 et 35) et sélénium (Le sélénium est un élément chimique, de la famille des chalcogènes, de...) (34 et 36). Des noyaux stables de krypton (A=78) ont été accélérés jusqu'à 70% de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) et sont entrés en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) avec une cible en béryllium (Le béryllium est un élément chimique de symbole Be et de numéro atomique 4....). Les produits de fragmentation créés lors de cette collision ont été triés en vol par un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité...) magnétique et identifiés pour former un faisceau secondaire (voir figure 1). Ce faisceau contenant une petite fraction du très exotique krypton 70 (temps de vie (La vie est le nom donné :) T1/2 = 40 ms) a été envoyé sur une cible d'or pour induire une excitation électromagnétique.


Vue schématique de la Radioactive Ion Beam Factory (RIBF) à RIKEN. Un faisceau intense de krypton à haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) est créé dans une série de cyclotrons et frappe la cible de production. Les noyaux produits dans une réaction dite de fragmentation sont séparés dans la 1er étape et identifiés (marqués) dans la 2nd étape du spectromètre BigRIPS. À l'extrémité du spectromètre, les fragments sont envoyé sur une cible d'or, où ils sont excités électromagnétiquement. Le spectre gamma de désexcitation obtenu à l'aide du scintillateur (Un scintillateur, est un matériau qui émet de la lumière suite à l'absorption d'un rayonnement.) DALI2 NaI(Tl), montre clairement le premier état excité 2+ du 70Kr.

En frappant cette feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux...) d'or, les noyaux ont produit de façon quasi-instantanée des rayons gamma aux fréquences de transitions nucléaires spécifiques. En mesurant l'intensité des rayons gamma à ces différentes fréquences à l'aide de 186 scintillateurs NaI(Tl), il a été possible d'extraire pour la première fois les probabilités de transition. Ces probabilités peuvent être traduites en éléments de la matrice électromagnétique des protons présentée dans la figure 2. La tendance légèrement négative observée en passant du selenium krypton 70 au bromure 70, qui est généralement aussi observée dans de nombreux noyaux de masse inférieure, est clairement rompue dans le krypton 70. La valeur beaucoup plus élevée de l'élément de matrice des protons peut être liée à une déformation plus importante, comme indiqué au-dessus du graphique.

Les nouveaux résultats défient les théories actuelles

Les expériences ont utilisé une combinaison (Une combinaison peut être :) unique au monde (Le mot monde peut désigner :) d'instruments et de technologies, essentielle pour étudier ces noyaux jusqu'ici inaccessibles. Elles démontrent une violation de la symétrie isospin d'une ampleur inattendue: les transitions électromagnétiques dans les noyaux miroirs de masse 70, le krypton et le sélénium, ont des probabilités qui s'écartent considérablement des prédictions théoriques. Ces différences peuvent refléter des changements dans les formes nucléaires: le sélénium est probablement légèrement aplati - comme une lentille - tandis que le krypton est beaucoup plus déformé et probablement prolongé - comme un ballon de rugby.

Afin de mettre en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) une tendance sous-jacente attendue, bien que non encore observée avec l'isospin, les études à venir nécessiteront des isotopes encore plus "exotiques", où le déséquilibre entre protons et neutrons est plus important. De tels isotopes exotiques seront disponibles au séparateur de fragments supraconducteur (Super-FRS) de l'installation de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur les antiprotons et les ions (FAIR), actuellement en construction en Allemagne en collaboration avec le CEA et qui devrait être opérationnel à partir de 2025/26.

Références:
[1] "Shape Changes in the Mirror Nuclei 70Kr and 70Se", K. Wimmer, W. Korten et al., Physical Review Letters 126 (2021) 0725012
[2] Editor's Suggestion of Physical Review Letters and featured in Physics.

Contact:
Wolfram Korten
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