Le noyau de Plomb fait la Ola
Publié par Redbran le 13/11/2019 à 14:00
Source: CEA GANIL
Une expérience réalisée par une équipe de physiciens nucléaires au GANIL révèle que le noyau de Plomb-207 prend une forme de poire qui oscille selon un mode bien particulier, appelé phonon octupolaire. En retirant un neutron au Plomb 208 (41 paires de protons et 63 paires de neutrons), le Plomb-207 se retrouve avec un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les...) "célibataire" sur l'une des orbites internes du noyau. Les nucléons du noyau de Plomb-207 vont alors onduler à la manière d'une ola de supporters, avec plus ou moins d'enthousiasme selon l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) occupée. Ce résultat a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et...) d'une publication dans la revue Physical Letter B. en Juillet 2019.


A l'instar de tous les systèmes subatomiques, le noyau de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...), lorsqu'il a un trop plein 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.), peut présenter des comportements collectifs où tous ses constituants, les protons et les neutrons, oscillent ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude...), uniformément, à une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie...) donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.). En mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à...), ce mode excité du noyau est appelé phonon (En physique de la matière condensée, un phonon (du grec ancien φονη / phonê, la voix) désigne un quantum de vibration dans un solide cristallin, c'est-à-dire un...). Dès lors, les différentes vibrations du noyau peuvent se décrire comme une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de mouvement etc.)) de ces phonons. Dans le noyau de l'atome, l'énergie nécessaire pour monter un nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de nucléons par atome est...) - proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) ou neutron - vers un état excité est du même ordre de grandeur que celle d'un phonon. Cette similarité en énergie a pour conséquence une influence mutuelle forte entre ces deux modes d'excitation.

Le 208Pb, avec 82 protons et 126 neutrons, est le dernier et le plus lourd des noyaux doublement magiques [1]. Son premier mode d'excitation est justement un phonon de symétrie dite octupolaire, c'est-à-dire en forme de poire (La poire est un fruit climactérique constitué du réceptacle floral, le piridion, sur le plan botanique considéré comme un faux-fruit,...). En retirant un neutron au 208Pb, le nucléon célibataire du 207Pb peut se coupler au phonon octupolaire du 208Pb pour former les premiers états excités de ce dernier. Si le neutron célibataire occupe une orbite de bas spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) (notée p, l=1), le couplage conduit à une atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) du phonon octupolaire. Cet effet a été largement étudié expérimentalement dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le présent....). A l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...), si le neutron célibataire occupe une orbite de grand spin (notée i, l=6) alors le phonon est amplifié. Ce dernier mode d'excitation n'avait jamais été mis en évidence jusqu'à maintenant.

Afin de mieux comprendre ce phénomène, on peut dresser une analogie avec un mouvement de foule tel que l'on peut le voir dans un stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.). Imaginons un stade non pas circulaire mais en forme de poire. Le phonon octupolaire du 208Pb serait alors une "ola" parcourant le stade rempli de supporters. Ce mouvement réalisé par des milliers de personnes peut se décrire comme une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) unique faisant le tour du stade à une vitesse (On distingue :) quasiment constante. La somme des individualités crée ainsi un mouvement collectif où on ne distingue plus les individualités. Imaginons enfin que nous puissions mesurer l'enthousiasme de cette foule par une valeur numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une...) et qu'elle serait notre point (Graphie) de référence. Le 207Pb serait alors ce même stade, mais avec un spectateur en moins. Si ce "trou" dans les tribunes se situe dans une rangée p, alors l'enthousiasme de la "ola" retombe légèrement, toutefois sans s'arrêter. Maintenant, si un spectateur de la rangée i se déplace vers la rangé p et comble cette dernière mais crée un trou dans la rangée i, alors l'enthousiasme de la "ola" est supérieur à celle du stade plein.

Dans une expérience menée au GANIL auprès des spectromètres AGATA et VAMOS, une collaboration menée par des chercheurs du CSNSM (Orsay), du GANIL (Caen) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Canberra (Australie) a mis en évidence ce mode de couplage à grand spin du phonon octupolaire. En mesurant le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de vie (La vie est le nom donné :) de l'ordre de la pico-seconde (10^-12 sec.) d'un état excité particulier dans le noyau de 207Pb, ils ont pu montrer que la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un...) de transition de cet état (l'enthousiasme de la "ola") était compatible avec une description en phonon couplé à un état de grand spin. Bien que le 207Pb soit un noyau stable, il a fallu plusieurs décennies pour établir la meilleure réaction pour créer cet état excité et la mise en service de deux spectromètres de haute sensibilité pour réaliser la mesure. En effet, c'est par une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) d'ions lourds (208Pb sur 100Mo) que le 207Pb est produit et identifié en 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...) (A) dans le spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse — en ses...) VAMOS. Aucun autre spectromètre au monde (Le mot monde peut désigner :) n'est aujourd'hui capable d'identifier de telles masses pour la vitesse relativement faible (~10% de la vitesse de la lumière) avec laquelle le 207Pb est produit. Enfin, il a fallu la sensibilité exceptionnelle du spectromètre AGATA pour mesurer le léger décalage en énergie correspondant à la décroissance de l'état étudié et en déduire son temps de vie.

Les résultats de cette étude ont été publiés dans Phys. Letter B. en Juillet 2019 [2]

Notes:
[1] https://www.ganil-spiral2.eu/fr/le-ganil/la-recherche/la-physique-nucleaire/
[2] D. Ralet et al, Physics Letters B Volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) 797, 10 October 2019, 134797 “Evidence of octupole-phonons at high spin in 207Pb” - https://doi.org/10.1016/j.physletb.2019.134797


Contact chercheur:
E. Clément (GANIL)- clement at ganil.fr
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