Des sections efficaces mesurées pour la première fois révèlent l'importance de l'appariement
Publié par Redbran le 05/06/2019 à 14:00
Source: CEA IRFU
L'appariement est omniprésent en physique. De la supraconductivité au modèle en couches quantique, le couplage de particules pour former des paires est l'un des moyens préférés par la nature pour réduire l'énergie d'un système. Des nouveaux résultats, obtenus au Radioactive Isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome...) Beam Factory (RIBF, Japon) avec le dispositif expérimental MINOS, conçu et construit à l'Irfu, montrent pour la première fois que l'appariement joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à...) également un rôle important dans les réactions d'arrachage d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) dans les noyaux riches en neutrons. Ces résultats montrent que les sections efficaces d'arrachage d'un proton peuvent être utilisées comme un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises,...) d'étude des corrélations d'appariement dans les noyaux très riches en neutrons, alors que la spectroscopie de ces noyaux n'est pas accessible. En effet, ces derniers sont produits en trop faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...) pour que la spectroscopie, par étude des gammas émis lors de la désexcitation par exemple, soit envisagée. Cette étude a récemment été publiée dans Physical Review Letters [1].


Figure 1: Le dispositif BigRIPS utilisé pour sélectionner les noyaux d'intérêt (gauche) et MINOS utilisé pour les étudier (droite).

Pourquoi les sections efficaces ?

La section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou...) est une observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre physique, ou plus...) clé en physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :), tant pour la planification (La planification est la programmation d'actions et d'opérations à mener) des expériences (choix du faisceau et de la cible pour produire le noyau d'intérêt avec une intensité raisonnable) que pour l'interprétation des résultats. Parmi toutes les réactions possibles, l'arrachage d'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 généralement noté...) (proton ou neutron), induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par une cible de protons, présente un intérêt particulier. Il s'agit, dans le cas de l'arrachage d'un proton, de la réaction:
X(Z,N) + p -> X(Z-1,N) + 2p
où Z correspond au nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de protons et N au nombre de neutrons qui composent le noyau X. Cette réaction correspond à l'arrachage soudain d'un nucléon (ici un proton), laissant intact le reste des nucléons qui composent le noyau incident (X(Z,N)). Le système résultant de cette réaction est dit "noyau fils" (X(Z-1,N)). Habituellement, on utilise les réactions d'arrachage d'un nucléon pour peupler les états de basse 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.) d'excitation d'un noyau et en réaliser la spectroscopie. Dans le cas présent, nous nous concentrons sur les sections efficaces inclusives, c'est-à-dire des sections efficaces vers tous les états finaux peuplés dans le noyau fils.

En utilisant l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de deux campagnes SEASTAR au RIBF (voir Fait Marquants FM2015, FM2017), une équipe internationale, menée par le CEA Saclay, a extrait 55 sections efficaces inclusives d'arrachage d'un nucléon à partir de noyaux très riches en neutrons. L'expérience a été rendue possible grâce aux faisceaux radioactifs, uniques au monde (Le mot monde peut désigner :), de l'installation RIBF de RIKEN et au dispositif expérimental MINOS conçu et construit à l'Irfu (Fig. 1).

Les noyaux analysés dans le cadre de cette étude sont représentés par des points rouges sur la figure 2 et constituent une augmentation très significative des données disponibles.


Figure 2: Carte des noyaux montrant les noyaux pour lesquels des sections efficaces d'arrachage d'un nucléon ont été mesurées précédemment (en bleu) et pendant cette expérience (en rouge).

Effet pair-impair dans les sections efficaces d'arrachage d'un proton

Disposant d'un tel jeu de données, les résultats ont été analysés en cherchant des tendances systématiques. Comme les noyaux étudiés sont très riches en neutrons, leur production - par arrachage d'un proton du noyau incident - entre en compétition avec l'émission d'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 protons, sont...) si le noyau fils est produit dans un état haut en énergie. C'est le noyau X(Z-1,N-1) qui résulterait alors de la réaction. Un effet très particulier a été observé dans les sections efficaces d'arrachage d'un proton en fonction de l'énergie de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) d'un neutron Sn, c'est-à-dire l'énergie qu'il faut fournir pour enlever un neutron du noyau. Les données pour les projectiles ayant un nombre pair (impair) de protons sont représentées par des cercles vides (pleins) sur la figure 3(a). On observe deux tendances linéaires distinctes pour les projectiles de Z pair et impair.

Quelle pourrait-être l'origine de cette séparation ? L'arrachage d'un proton d'un projectile de Z impair conduit à un noyau fils de Z pair dans lequel, en première approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une approximation soit le plus souvent...), tous les protons sont appariés. Pour ces noyaux fils de Z pair, l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) d'appariement conduit à une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides...) de niveaux réduite, qui est visible notamment dans la partie à basse énergie du spectre où il existe un écart important entre 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 états fondamentaux est un état excité.) et le premier état excité. Les sections efficaces issues de réactions avec des projectiles de Z impairs, sont donc plus faibles en raison du nombre réduit d'états finaux disponibles dans les noyaux fils.


Figure 3: Section efficace inclusive (a) et séparation pair-impair (OES) (b) mesurées dans cette expérience en fonction de l'énergie de séparation d'un neutron Sn. Les résultats expérimentaux sont comparés aux calculs INCL.

Pour rendre l'effet plus visible, la figure 3(b) montre la séparation pair-impair (OES) définie, dans le cas des projectiles de Z pair, comme la différence entre la section efficace mesurée d'arrachage d'un proton et la régression linéaire pour les projectiles de Z impair présentée sur la figure 3(a). Inversement, dans le cas des projectiles de Z impair, l'OES est défini comme la différence entre la régression linéaire pour les projectiles de Z pair et la section efficace mesurée d'arrachage d'un proton.

Pour tester cette interprétation, les résultats ont été comparés au modèle de Liège Intranuclear Cascade Model (INCL), un modèle semi-microscopique développé en grande partie à l'Irfu et récemment utilisé pour décrire des sections efficaces inclusives d'arrachage de nucléons. Alors que INCL reproduit bien la diminution des sections efficaces en fonction de -Sn observée dans les données d'arrachage d'un proton, la séparation pair-impair n'est pas reproduite, comme le montrent les carrés bleus de la figure 3(a), et, de manière encore plus évidente, la figure 3(b). Pour imiter l'effet de l'appariement sur les sections efficaces inclusives dans l'approche INCL, une correction phénoménologique a été apportée à l'énergie d'excitation INCL pour les projectiles de Z impair. Cette correction a permis de reproduire qualitativement l'OES (de la ligne bleue à la ligne rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) sur la figure 3 (b)).

Une étude similaire, concernant la réaction d'arrachage d'un neutron, est également présentée dans ce même article. La dépendance entre section efficace inclusive et énergie de séparation d'un neutron n'apparaît pas aussi prononcée dans cette région des noyaux riches en neutrons, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en n'excluant pas l'effet d'appariement décrit pour les réactions d'arrachage d'un proton.

Conclusions

Ce travail met 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 (rouge). La...) le rôle de l'appariement dans la description des sections efficaces d'arrachage d'un proton à partir de noyaux riches en neutrons, et met en évidence la sensibilité de cette observable à la structure des noyaux. Les résultats suggèrent que les sections efficaces d'arrachage d'un nucléon peuvent sonder la structure nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) proche de la "dripline" neutrons (limite d'existence des noyaux riches en neutrons, au plus loin de la vallée (Une vallée est une dépression géographique généralement de forme allongée et façonnée dans le relief par un cours d'eau...) de stabilité), là où la spectroscopie des noyaux n'est pas accessible.

Références:
[1] N. Paul et al., Phys. Rev. Lett. 122 (2019) 162503

Contacts:
- Anna Corsi,
- Nancy Paul
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