Le proton, acteur montant de la fission

Publié par Redbran le 04/05/2021 à 13:00
Source: CNRS IN2P3
Les protons pourraient bien jouer un rôle clé dans la fission des noyaux. Ce phénomène, à rebours des théories qui privilégiaient une action dominante des neutrons, a tout d'abord été observé dans la fission de noyaux lourds autour de l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un...). Aujourd'hui, une expérience menée au GANIL avec le spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité...) VAMOS++, démontre qu'il est à l'oeuvre aussi dans la fission des noyaux plus légers autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...), et pourrait dès lors concerner un vaste domaine de la carte des noyaux. Un résultat paru dans la revue PRL[1].

Quand de nouveaux neutrons et protons s'incrustent de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) dans un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de...), ils créent une véritable pagaille qui conduit parfois à la cassure (En minéralogie, la cassure désigne l'aspect de la surface d'un minéral qui,...) du noyau en deux fragments avec émission de neutrons: c'est la fission. Ce phénomène, abondamment décrit et même exploité pour produire de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) au quotidien, n'en demeure pas moins une énigme pour les physiciens nucléaires. Ils s'interrogent notamment sur la "pagaille" qui précède la fission. Dans la mêlée, deux acteurs sont à l'oeuvre, les neutrons, tenus par l'entremise de la force nucléaire (La force nucléaire est une force qui s'exerce entre nucléons. Elle est responsable de la...), et les protons, nucléons chargés, qui cumulent l'effet attractif de celle-ci et celui répulsif de leur charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...). Lequel du neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) ou du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) est donc à la manoeuvre ?


Le spectromètre VAMOS++ au GANIL. Il permet d'identifier précisément le nombre de protons et de neutrons de tous les ions qui le traversent. / Image GANIL J.M. Enguerrand

Le rôle des neutrons en question

Longtemps les neutrons et les effets quantiques de la force nucléaire ont été vus comme les meneurs. Mais depuis quelques années le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) commence à tourner. Des simulations de plus en plus précises, prenant en compte des phénomènes jusque-là négligés ou seulement récemment observés, menées sur des ordinateurs de plus en plus puissants commençaient à lézarder le piédestal (Un piédestal (pluriel : piédestaux) est un support isolé qui sert à...) des neutrons. Qui plus est, dans le groupe des actinides, celui des noyaux lourds dont fait partie l'uranium, plusieurs expériences indiquaient que les protons jouaient le premier rôle. Mais il était impossible de généraliser.

Pour trancher, il fallait aller observer des réactions de fission dans d'autres régions de la charte nucléaire, et notamment pour des noyaux plus petits et donc bien moins fissibles. C'est la prouesse réalisée lors d'une expérience menée au GANIL auprès du nouvel instrument VAMOS++, par une collaboration dont Christelle Schmitt, physicienne nucléaire à l'IPHC est la porte-parole, et Antoine Lemasson coordinateur scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) de l'instrument.

Cette expérience a permis d'observer, comme pour les noyaux lourds, la signature de l'influence des protons, mettant définitivement le rôle de ces nucléons au centre de la fission des noyaux et reléguant les neutrons quasi au rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du...) de spectateurs. "Avec cet article nous montrons que ce sont les mêmes lois qui s'appliquent dans des régions lointaines constate Christelle Schmitt. Le phénomène est général". Le changement de paradigme est total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...).

Un bilan très précis des réactions de fission

L'expérience menée au GANIL a consisté à projeter, 10 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) durant, un faisceau de noyaux de xénon (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le...) (Xe 124) sur une cible de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) (Fe 56) avec une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) suffisante pour produire par fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) des noyaux de mercure (Hg 178). Ces derniers, excités, vont dans la majorité des cas relâcher leur énergie via l'émission de quelques neutrons et protons, mais quelques-uns vont le faire par fission en deux "gros" fragments de taille variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) et excités. Ce peut être un grand ou un petit, ou deux moyens, etc.

En tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...), les scientifiques ont observé plus de 300 combinaisons différentes de couples de fragments émis par les réactions de fission. L'analyse méticuleuse de ces produits permet de faire un bilan très précis de la répartition des protons et neutrons dans les deux fragments et d'en tirer des conclusions sur la fameuse pagaille qui a précédé l'éclatement du mercure.

En l'occurrence, l'équipe a pu déterminer si des neutrons de désexcitation étaient émis par les fragments juste après la fission, avant même qu'ils n'aient pénétré le spectromètre. Cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) est déterminante, car ces neutrons signent l'état de déformation des fragments au point (Graphie) de rupture. Résultat, certains fragments sont apparus clairement très déformés, ce qui montre que pour fissionner, le noyau a dû au préalable s'étirer et se déformer parfois grandement avant de se rompre en deux. Or, dans l'hypothèse où la fission serait l'oeuvre des neutrons, les effets quantiques dominants empêcheraient de telles déformations.


Image: IN2P3 E. Jullien / GANIL A. Lemasson

Le nombre de neutrons initial du fragment ne change rien

Mais ce n'est pas tout, le choix du mercure comme noyau d'étude ne relève pas du hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon...), bien au contraire. Les produits de fission les plus gros de ce noyau sont aussi les mêmes que les plus petits émis par la fission des actinides déjà étudiés. A ceci prêt, qu'ils ont parfois un nombre de neutrons différent. "Nous avons ainsi pu comparer la déformation de noyaux plus ou moins riches en neutrons et constater que cette différence n'avait pas d'impact, explique Christelle Schmitt. En somme, les neutrons n'ont pas d'influence sur la déformation qui conduit le noyau à se scinder en deux, ce paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) dépend essentiellement des protons." En une expérience, l'équipe conjointe de l'IPHC et du GANIL a donc apporté deux pierres fondamentales à la compréhension de la fission: le phénomène passe par une déformation du noyau quel que soit l'élément concerné et il implique les protons bien plus que les neutrons.


Détecteur complémentaire ajouté au spectromètre VAMOS pour prendre en compte les deux fragments de fission qui sont émis dans des directions différentes. / Image Christelle Schmitt IPHC

Sans l'instrument VAMOS++ du GANIL cette mesure n'aurait pas été possible. VAMOS++ est un spectromètre très particulier qui identifie les noyaux en les chahutant sur un parcours de 8 m de long avec une combinaison (Une combinaison peut être :) de champs magnétiques et électriques. Chaque noyau qui le traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de...) y suit donc une trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) unique qui trahira de façon très précise, le nombre de ses protons, celui de ses neutrons et son énergie. Pour cette expérience et pour la première fois, VAMOS++, qui ne peut mesurer que le fragment de fission émis dans sa direction, a été augmenté d'un second bras d'analyse conçu par une équipe de physiciens de New Delhi (New Delhi (Hindi: नई दिल्ली Naī Dillī,...) et qui a permis l'analyse conjointe du fragment partenaire. C'est cette combinaison, en mesure de faire un bilan complet et très précis de la fission, qui s'est révélée gagnante.

Note:
[1] Experimental Evidence for Common Driving Effects in Low-Energy Fission from Sublead to Actinides


Contacts:
- Fanny Farget - DAS Nucléaire et applications - fanny.farget at in2p3.fr
- Christelle Schmitt - Chercheuse en physique nucléaire (La physique nucléaire est la science qui étudie non seulement le noyau atomique en tant...) à l'IPHC - christelle.schmitt at iphc.cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr
- Antoine Lemasson - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) nucléaire au GANIL
- Emmanuel Jullien - Responsable de la cellule communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) de l'IN2P3 - communication at in2p3.fr
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