06 octobre 2016
Les formes des noyaux loin de la stabilité
Les formes des noyaux loin de la stabilité

Le détecteur MINIBALL de l'installation ISOLDE ©Cern

Une collaboration, menée par les physiciens du GANIL, de l'IN2P3 (CSNSM) et de l'Irfu (SPhN), a étudié les formes des noyaux exotiques autour de N~60, A~100 auprès de l’installation REX-ISOLDE au CERN en utilisant la méthode d'excitation coulombienne.  Nous avons confirmé que la brusque transition de noyaux sphériques à 58 neutrons vers des noyaux très déformés à 60 neutrons, observée initialement pour les chaines isotopiques des strontiums Sr et zirconiums Zr (Z=38,40), persiste aussi dans la chaine des rubidiums Rb (Z=37). En outre, cette transition est accompagnée par le phénomène de « coexistence de formes » pour les noyaux de Sr. Nous avons montré que le mélange entre ces deux configurations sphérique et déformée est très faible, contrairement à ce qui a été observé pour tous autres cas de coexistence de formes. Ces résultats originaux ont été publiés dans la revue Physical Review Letters 116, 022701 (2016).

 

Différentes formes, différents états?

La forme des noyaux est une des propriétés nucléaires fondamentales. Selon le modèle, elle est gouvernée par des effets macroscopiques (goutte liquide) aussi bien que microscopiques (structure en couches du noyau). Leur compétition est à l'origine des changements rapides de forme des noyaux en fonction du nombre de nucléons. Par exemple, pour les chaînes isotopiques des strontiums Sr et zirconiums Zr, on a observé une transition de noyaux sphériques à 58 neutrons vers des noyaux nettement déformés à 60 neutrons.

En outre, un noyau peut changer de forme en fonction de son énergie d’excitation. Certains noyaux présentent même un rare phénomène de coexistence de formes : le noyau change radicalement de forme pour une faible énergie d'excitation.

 

Méthode expérimentale

L'excitation coulombienne est la méthode la plus directe pour étudier les formes des noyaux dans leurs états excités. Dans ce processus de diffusion élastique de deux noyaux, le champ électromagnétique qui agit entre eux est à l’origine de leur excitation. Ensuite, les noyaux se désexcitent immédiatement en émettant des photons qui sont mesurés à l’aide des spectromètres gamma entourant la cible, en coïncidence avec les noyaux diffusés, comme le montre schématiquement la Figure 1.

 

Fig. 1  Vue schématique d'un dispositif expérimental pour les expériences d'excitation coulombienne avec un faisceau radioactif. Les photons émis par les noyaux excités sont mesurés par les détecteurs Germanium segmentés, pendant que les noyaux diffusés sont détectés par un détecteur Silicium annulaire placé aux angles avant.

 

Si la distance minimale d’approche entre le projectile et la cible est suffisamment grande (ce qui correspond à une faible énergie incidente), l’interaction nucléaire de courte portée peut être négligée et l’excitation peut être décrite en utilisant l’interaction électromagnétique dont toutes les propriétés sont connues. En conséquence, les sections efficaces de population des états excités mesurées dans les expériences d’excitation coulombienne peuvent être directement reliées aux moments statiques et dynamiques de la distribution de charge (c’est-à-dire à la forme) des noyaux étudiés.

 

Cette technique puissante, historiquement limitée aux noyaux stables, a  récemment pris une nouvelle ampleur quand elle est devenue réalisable avec des faisceaux instables de noyaux exotiques à courte durée de vie délivrés par les accélérateurs de faisceaux radioactifs tels que SPIRAL (GANIL), ISOLDE (CERN), CARIBU/ATLAS (ANL Argonne).

 

Pour compenser la faible intensité des faisceaux, des détecteurs de Germanium segmentés tels que EXOGAM ou AGATA (GANIL), MINIBALLl (CERN) ou GRETINA (ANL) sont utilisés pour détecter avec une grande efficacité les gammas émis par les noyaux excités. Les physiciens du SPhN ont affiné et modernisé les techniques d'analyse de données loin de la stabilité aux nouvelles exigences de ces mesures [1].

 

 

 
Les formes des noyaux loin de la stabilité

Le détecteur MINIBALL de l'installation ISOLDE ©Cern

Pour des raisons encore incertaines, la région de noyaux riches en neutrons autour de N~60, A~100 présente le développement de déformation le plus brutal de tout la charte nucléaire. Elle a ainsi été sujette à de nombreuses études expérimentales et théoriques depuis les années 60. En ajoutant seulement deux neutrons, une transition de forme rapide se produit, allant d’une forme sphérique observée pour les états fondamentaux de Sr et Zr à N=58 à une forme très prononcée à N= 60 et au-delà. L’observation de cette transition de forme s’accompagne du phénomène de « coexistence de formes » : un second état excité 0+(donc de même spin et parité que l’état fondamental) a été observé dans les noyaux de Sr (38 protons) et Zr (40 protons) à une faible énergie d'excitation, ce qui suggère qu'une configuration très différente (excitation 2 particules-2 trous au-delà fermeture de couche Z=40) de celle de l’état fondamental. La région où l’évolution rapide de la déformation se produit est bien définie : elle est beaucoup plus lente dans les noyaux un peu plus lourds de Mo (42 protons) et Ru (44 protons). Par contre, la  frontière pour les faibles nombres atomiques est moins bien connue, car dans ce cas il s'agit des noyaux très loin de stabilité et donc difficiles à produire et à étudier. Le caractère local de ce phénomène suggère que des orbitales proton et neutron bien définies sont responsables de cet effet.

Une série d’expériences visant à étudier les formes de noyaux  autour de N~60, A~100  en utilisant la méthode d'excitation coulombienne a été réalisée auprès de l’installation REX-ISOLDE au CERN. Les faisceaux radioactifs de rubidium 97Rb et 99Rb (37 protons) et 96Sr et 98Sr ont été post-accélérés jusqu'a 2.85 MeV/A et diffusés sur différentes cibles. Les rayons gammas émis par les noyaux excités ont été mesurés avec le spectromètre MINIBALL. L'analyse des sections efficaces mesurées expérimentalement, afin d'extraire les probabilités de transition et les moments quadripolaires statiques des états excités a été réalisée avec une forte implication des physiciens de l'Irfu/SPhN. 

Les physiciens ont observé, pour la première fois chez les 97,99Rb, des états excités sous la forme de bandes rotationnelles très régulières. Elles constituent une preuve directe de la déformation de leur état fondamental et confirment que la chaine isotopique des Rb est la première présentant un développement brusque de la déformation [2]. En outre, cette déformation a été mesurée précisément grâce aux probabilités de transition obtenues lors de cette expérience (cf. Fig. 2).

On voit que les moments spectroscopiques transitionnels mesurés pour le 97Rb sont très proches de ceux dans les 98Sr et 100Zr, qui appartiennent à la région de déformation élevée. Par contre, si on enlève un seul proton, le comportement de la chaine isotopique de krypton (36 protons) est très différent : les déformations observées pour les noyaux de 94,96Kr sont beaucoup plus faibles. De plus, nous avons montré que la déformation des états excités du 97Rb ne change pas avec le spin, et que la déformation du 99Rb reste la même, alors que la configuration ne change pas avec l'ajout des neutrons supplémentaires. Les rubidiums apparaissent donc, dans cette région, comme les noyaux les plus pauvres en protons  exhibant une forte déformation.

Fig. 2.  Moments spectroscopiques transitionnels Q0 (mesurés en électrons.barns) en fonction du spin de leur état excité pour les noyaux autour de N~60, A~100.

 

Pour les 96,98Sr, grâce à une mesure des moments quadripolaires spectroscopiques des états excités, nous avons confirmé que le noyau de 96Sr est effectivement sphérique, alors que le 98Sr qui ne compte que deux neutrons de plus est très déformé [3]. Nous avons également obtenu l'information sur la structure excitée dans le 98Sr, construite sur le second état 0+2 qui a une déformation très faible, comme celui de l’état fondamental du 96Sr. Nous avons ainsi confirmé le scenario d’échange de ces deux configurations à N=60. De plus, en analysant les probabilités de transition, nous avons montré que le mélange entre ces deux configurations est très faible, contrairement a ce qui a été observé pour tous les autres cas de coexistence de formes. Cet effet pourrait être lié à la rapidité de changement de forme mesuré pour les noyaux de Sr, Zr et Rb. Des études supplémentaires, focalisées sur les structures excitées dans le 96Sr ainsi que sur la coexistence et l’évolution des formes dans les noyaux de krypton riches en neutrons sont prévues aux installations des faisceaux radioactifs de la nouvelle génération, comme HIE-ISOLDE, SPES et SPIRAL2. Nous voudrions comprendre l'origine et la nature des états 0+ excités  dans le 96Sr et étudier le mélange des configurations dans les Kr : si le mélange est plus fort que celui observé pour le 98Sr, notre hypothèse sur le lien entre le mélange faible et la rapidité de changement de forme sera confirmée.

 

[1] “Analysis methods of safe Coulomb-excitation experiments with radioactive ion beams using the GOSIA code” M. Zielinska et al,  Eur.Phys.J. A 52, 99 (2016)

[2] “97Rb60: The Cornerstone of the Region of Deformation around A ≈ 100”  C. Sotty, M. Zielinska et al, Physical Review Letters 115, 172501 (2015)

[3] “Spectroscopic quadrupole moments in 96,98Sr: Evidence for shape coexistence in neutron-rich strontium isotopes at N=60", E. Clément, M. Zielinska et al, Physical Review Letters 116, 022701 (2016)

 

Contact: M. Zielinska

 

Maj : 10/01/2018 (3817)

 

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