Le Zirconium-98, un noyau aux trois facettes
Publié par Redbran le 29/11/2018 à 12:00
Source: CEA IRFU
Au cours d'une expérience réalisée au GANIL à Caen (France), une équipe internationale, menée par des chercheurs de l'Irfu et de l'Université d'Oslo, a étudié la forme du noyau de Zirconium-98. La forme d'un noyau correspond à la zone où ses protons et neutrons peuvent se trouver. La comprendre, c'est arriver à maîtriser le comportement de chacun d'eux et leur agencement liés à la force nucléaire (La force nucléaire est une force qui s'exerce entre nucléons. Elle est responsable de la liaison des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Cette force peut être comprise en...). L'objectif était de déterminer la forme du noyau dans différents états excités. Les résultats donnent un scénario complexe, pour lequel trois formes différentes – sphérique, légèrement déformée et fortement déformée – coexistent au sein du même noyau suivant qu'il est dans son 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...) ou excité. De plus, son noyau voisin, le Zirconium-100 avec seulement deux neutrons en plus, se comporte à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que...). Ce changement soudain de la forme de ces deux isotopes est un phénomène rare qui permet de contraindre fortement les modèles de structure nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :). Ces résultats ont 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 qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par...) d'une publication dans la revue Physical Review Letters [1].


Fig. 1 Le spectromètre EXOGAM (à droite sur la plateforme bleue) couplé au spectromètre à particules VAMOS (à gauche)

En fonction du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de protons et de neutrons qui le constituent, le noyau peut prendre différentes formes: sphérique, allongée comme un cigare ou aplatie comme une lentille. La forme d'un noyau évolue lentement avec le nombre de protons et de neutrons, et de nombreux travaux ont déjà permis de cartographier ces évolutions le long de la carte des noyaux. Les noyaux constitués d'environ 40 protons et 60 neutrons présentent un intérêt particulier car des changements plus abrupts de formes ont été observés.

Un même noyau peut exister dans son état dit fondamental (qui lui coûte le moins 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.), le plus stable) ou dans plusieurs états excités ; dans ce cas, il peut se désexciter en émettant du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) gamma, c'est-à-dire des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...). En étudiant le noyau de Zirconium-98, produit lors d'une expérience au GANIL, les chercheurs souhaitaient étudier sa forme via la mesure du 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 :) des différents états excités. Cette expérience a nécessité les équipements de pointe du GANIL: le spectromètre VAMOS a permis d'identifier les noyaux produits lors de la réaction. Quant au détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a...) EXOGAM, il a permis de mesurer les rayonnements gamma issus de la désexcitation du noyau et d'en déduire leur temps de vie (de l'ordre de la picoseconde) et donc leur forme (voir Fig. 1).

Les résultats montrent la coexistence de trois formes au sein du Zirconium-98: sphérique lorsqu'il est dans son état fondamental, légèrement déformée à faible énergie d'excitation et fortement déformée à une énergie d'excitation supérieure (Fig. 2).

En comparant ces observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) aux formes connues du Zirconium-100 (qui a seulement deux neutrons de plus), les chercheurs ont pu déduire que la transition de formes entre ces deux isotopes du Zirconium était soudaine, un phénomène rare. Ils ont également noté une inversion de la forme de ces noyaux dans leurs états fondamentaux et excités: le Zirconium-98 est sphérique au repos et déformé lorsqu'il est excité. Pour le Zirconium-100, c'est l'inverse. C'est ce qui explique le changement extrême de formes des états fondamentaux de ces noyaux. Ces observations révèlent la structure sous-jacente du noyau, fournissant ainsi de nouvelles contraintes pour les modèles de structure nucléaire qui, à l'exception du Modèle en Couche Monte Carlo, prédisaient des évolutions lentes de la forme du noyau.

Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters le 9 novembre 2018 [1].


Fig. 2: Représentation de trois états excités du noyau de Zirconium-98. Pour cet isotope, plus l'énergie d'excitation est forte, plus le noyau est déformé.

Référence publication:
[1] P. Singh et al. Phys. Rev. Lett. 121, 192501 (2018).
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