La forme d’un noyau atomique est le reflet de la structure en couches des protons et des neutrons qui le composent. Dans le cas de couches complètement remplies, on a affaire à un noyau ‘magique’ qui est de forme sphérique. Cependant, la plupart des noyaux ont des couches partiellement remplies et préfèrent être déformés. Les formes les plus couramment rencontrées sont allongées (prolate) ou aplaties (oblate) et peuvent changer d’un noyau à l’autre. Dans certains noyaux une faible réorganisation des protons ou des neutrons suffit pour changer sa forme. Un même noyau est alors susceptible de prendre certaines formes associées à des états d’énergie différente. Lorsque ces états sont très proches en énergie (un millième de l’énergie de liaison du noyau), ils se mélangent. Selon les lois de la mécanique quantique, le noyau peut se trouver, à la fois, dans un état allongé et aplati. Ce phénomène de coexistence de formes a été mis en évidence dans les isotopes légers de krypton et de sélénium lors d’une série d’expériences d’une équipe du Service de physique nucléaire de l’Irfu.
Comment connaître la forme d’un noyau ? Lorsque l’on excite un noyau déformé en le faisant tourner ou vibrer, il revient vers son état d’équilibre en émettant un rayonnement électromagnétique très sensible à sa forme. Ces excitations se produisent quand un noyau passe près d’un noyau cible à des distances de quelques femtomètres (10-15 m) et à une vitesse de l’ordre de 10% de la vitesse de la lumière. Cette méthode dite « d’excitation coulombienne » a été utilisée avec succès pour les isotopes radioactifs de krypton 74 et 76 (notés 74Kr et 76Kr) en envoyant des faisceaux de ces isotopes produits et accélérés par le dispositif Spiral au Ganil sur une cible de plomb (voir figure 1). L’analyse des rayons gamma issus des états excités du 74Kr et du 76Kr, mesurés avec le spectromètre Exogam, a établi le caractère prolate de l’état fondamental des deux isotopes [1]. Des états excités de basse énergie ont une durée de vie anormalement longue et correspondent à une déformation oblate ; on parle alors d’isomères de forme. Ce résultat constitue la première mesure directe de la forme d’un noyau radioactif. L’étude de l’isotope 72Kr et de son isomère de forme montre que la situation est inversée pour cet isotope avec une forme oblate de l’état fondamental [2]. Il ne s’agit cependant pas de formes pures parce qu’elles peuvent se mélanger ! L’ensemble des résultats obtenus permet une analyse quantitative du mélange entre des formes prolate et oblate pour les différents états. Il se trouve que ce mélange est plus important dans l’isotope 74Kr que dans les isotopes voisins [2,3].
Figure 1. Dispositif expérimental utilisé au Ganil (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds à Caen). Un faisceau primaire de Kr-78 (rose), isotope stable de krypton, est accéléré successivement par les accélérateurs CSS1 et CSS2. L'isotope KR-78 est transformé en isotope radioactif Kr-74 ou Kr-76 par réaction de fragmentation dans le dispositif Spiral (Système de Production d'Ions Radioactifs en Ligne). Les isotopes Kr-74 et Kr-76 (rouge) sont, à leur tour, accélérés par le troisième cyclotron CIME et envoyés sur une cible de Pb-208 placée au centre du spectromètre Exogam (photo en insert).
Figure 2. Comparaison des résultats expérimentaux (à gauche) et théoriques (à droite) pour le Kr-74. Les schémas de niveaux indiquent les états rotationnels de forme prolate (bleu), oblate (vert) et les états vibrationnels (rouge). Les chiffres et l'épaisseur des flèches donnent les probabilités de transitions. Les transitions reliant les états de différente nature sont indiquées par des couleurs intermédiaires. Au vu de la complexité de ces schémas de niveaux, on peut qualifier cet accord entre théorie et expérience de remarquable. Un accord similaire est trouvé pour le Kr-76.
La comparaison de ces résultats expérimentaux à des calculs théoriques fournit un test sévère des modèles de structure nucléaire. Elle a été réalisée en collaboration avec une équipe de théoriciens du CEA DIF/DPTA, qui a développé un modèle théorique dit « de mélange de configurations ». Les résultats expérimentaux et théoriques sont en excellent accord et permettent une classification des différents états suivant leur forme (figure 2). Les calculs indiquent un mélange important entre les états prolate et oblate mais montrent aussi que la réalité n’est pas aussi simple : les déformations triaxiales (non purement allongées ou aplaties) sont nécessaires pour décrire correctement la coexistence de formes dans les noyaux de krypton.
Une compétition similaire entre la déformation prolate et oblate est attendue dans les isotopes légers de sélénium. La plupart de modèles théoriques prédisent une déformation oblate pour l’état fondamental dans les isotopes 68Se et 70Se. Cependant, une récente mesure d’excitation coulombienne réalisée au Cern couplée à une ancienne mesure du temps de vie du premier état excité du 70Se montre une déformation prolate pour cet état, en désaccord avec ce scénario. Afin de tester la validité de ce résultat étonnant, l’équipe du SPhN a effectué une nouvelle mesure de temps de vie pour les isotopes 70Se et 72Se à Legnaro (Italie), laboratoire européen associé du Ganil. Les noyaux de sélénium excités sont arrêtés à une distance variable (de quelques micromètres) de la cible dans une feuille d’or. Les rayons gamma émis en vol par le noyau de 70Se (avant l’arrêt dans la cible) subissent un décalage en énergie par effet Doppler ; ils correspondent à des temps de vie courts (inférieurs au temps de vol défini par la distance cible-feuille). A contrario, les rayons émis par les noyaux arrêtés dans la feuille d’or sont associés à des temps de vie plus longs et n’ont pas de décalage Doppler. La comparaison des statistiques cumulées en fonction de la distance permet d’extraire des temps de vie de quelques picosecondes (10-12 s) avec une grande précision et d’obtenir les probabilités de transition entre les états. Les résultats obtenus prouvent que le temps de vie précédemment mesuré était erroné et que le 70Se est oblate dans son état fondamental [4]. Un très bon accord est de nouveau obtenu avec les calculs de mélange de configurations.
Ces travaux expérimentaux et théoriques conduisent à une compréhension globale du phénomène de coexistence de formes et de l’évolution des formes observées dans les noyaux de sélénium et de krypton légers.
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Références :
[1] E. Clément et al., Phys. Rev. C 75, 054313 (2007)
[2] E. Bouchez et al., Phys. Rev. Lett. 90, 082502 (2003)
[3] A. Görgen et al., Eur. Phys. J. A 26, 153 (2005)
[4] J. Ljungvall et al., Phys. Rev. Lett. 100, 102502 (2008)
