02 mai 2019
Le noyau exotique de 78Ni rejoint le club fermé des noyaux doublement magiques

Une collaboration internationale conduite par le CEA-Irfu et l’Institut Riken (Japon) démontre, pour la première fois, la stabilité exceptionnelle du noyau de nickel 78 (très riche en neutrons) et son caractère doublement magique. L’expérience menée à Riken était uniquement possible en combinant le dispositif Minos développé au CEA-Irfu avec les faisceaux très exotiques produits par l’installation RIBF de l’accélérateur japonais. Ces résultats font l’objet d’un article dans Nature [Nat19].


 

 
Le noyau exotique de 78Ni rejoint le club fermé des noyaux doublement magiques

Figure 1 (extraite de l'article Nature). Diagramme des noyaux pairs-pairs où chaque isotope est représenté par une barre d'une hauteur égale à l'énergie du premier état 2+ excité.

Les noyaux magiques

Un noyau atomique est constitué de protons et de neutrons, il est qualifié de magique si son nombre de protons Z ou de neutrons N est égal à 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Les noyaux stables magiques présentent des caractéristiques bien connues : ainsi, l’énergie de son premier état excité de spin 2+ est plus élevée que ses isotopes voisins, il faut donc lui fournir plus d’énergie pour l’exciter. Un noyau magique présente une stabilité plus importante que ses voisins. En figure 1, les nombres magiques habituels pour N ou Z sont affichés avec les lignes pointillées et nous pouvons clairement voir les « pics » correspondant à des noyaux magiques.

La mesure de l’énergie du premier état excité de spin 2+ peut donc révéler le caractère « magique » d’un noyau. Au-delà de l'indication des nombres magiques, les mesures systématiques des énergies des premiers états 2+ nous renseignent sur les propriétés de l'interaction forte au sein du noyau atomique. Ces propriétés sont sous-déterminées à l'heure actuelle, du fait des incertitudes théoriques. L’évolution des effets de couches loin de la vallée de stabilité est l’une des questions majeures de la physique nucléaire. 
Les noyaux très riches ou très déficients en neutrons sont instables (radioactifs) et qualifiés d’« exotiques ». Les physiciens veulent savoir si les propriétés associées aux nombres magiques connus persistent dans les noyaux exotiques ou si de nouveaux phénomènes peuvent apparaître, associés à des nombres magiques encore inconnus à ce jour. Certains ont déjà été mis en évidence, comme l’apparition d’un nouveau nombre magique à N=16 et la disparition de N=20 dans les isotopes d’oxygène.
 

 

Les recherches nécessitent des études systématiques de l’évolution des énergies des premiers états 2+ des noyaux très exotiques. Pour révéler les changements possibles des nombres magiques habituels et étendre les mesures, un programme de physique nommé "Seastar" (Shell Evolution And Search for Two-plus energies at the RIBF) a été réalisé au Japon par une collaboration internationale dirigée par des équipes de l'Irfu et de l'institut Riken. Les campagnes Seastar (2014, 2015 et 2017) [Seastar] avaient pour objectifs de mesurer les états 2+ des noyaux riches en neutrons les plus exotiques. Les expériences ont pu être réalisées avec i) les faisceaux les plus intenses au monde de noyaux riches en neutrons rares produits par l'installation RIBF (Radioactive Isotope Beam Factory) de Riken, ii) le dispositif de détection unique combinant le dispositif Minos [Minos] (Magic Numbers Off Stability) développé à l’Irfu et le spectromètre gamma Dali2 de grande efficacité.

Et le 78Ni ? 

Parmi les noyaux-clés visés par ce programme : le 78Ni. Il était « attendu » comme doublement magique, du fait de ses nombres de protons (28) et de neutrons (50). Mais comme il est très exotique, avec quatorze neutrons de plus que le dernier isotope stable du nickel, 64Ni, les physiciens s’interrogeaient sur ses propriétés : possède-t-il le caractère d’un noyau doublement magique, c’est-à-dire est-il difficilement excitable, avec une énergie de son état 2+ élevée par rapport à ses voisins ? Ce noyau représentait donc un parfait cas d’étude de la persistance ou non du caractère doublement magique loin de la vallée de la stabilité.

 

 
Le noyau exotique de 78Ni rejoint le club fermé des noyaux doublement magiques

Figure 2. Le dispositif MINOS entouré par le détecteur de photons DALI2. La cible H2 liquide épaisse est en bleu, et le détecteur de traces est en gris.

L’expérience

Lors des réactions induites par des faisceaux de quelques particules par seconde sur la cible de protons, les noyaux instables sont produits avec un taux de comptage très faible. Minos a été conçu pour augmenter la luminosité en combinant une cible d’hydrogène liquide épaisse de 10 à 15 cm d’épaisseur (en bleu sur la Fig. 2), avec un détecteur de traces, qui est une chambre à projection temporelle (TPC), construite avec la technique Micromegas (en gris sur la Fig. 2).

Pour étudier le 78Ni, la cible épaisse d’hydrogène de Minos a été bombardée avec un faisceau de noyaux de cuivre 79 (et de zinc 80) ce qui a induit des réactions nucléaires sur les protons de la cible, produisant du nickel 78 et deux protons (trois protons respectivement). Le 78Ni peut être produit dans un état excité, état dont nous étudions la désexcitation par émission de rayons gamma. Comme on ne produit que quelques noyaux 79Cu ou de 80Zn par seconde, le dispositif Minos était indispensable pour augmenter le nombre de particules produites dans la réaction.

 

 
Le noyau exotique de 78Ni rejoint le club fermé des noyaux doublement magiques

Figure 3 (extraite de l’article Nature). Spectre gamma du 78Ni.

 

 

Résultats et interprétation


La figure 3 montre le spectre mesuré du 78Ni produit en retirant un proton du 79Cu. La transition à 2,6 MeV est associée à la décroissance du premier état 2+ excité.

 

 

 

 

 
Le noyau exotique de 78Ni rejoint le club fermé des noyaux doublement magiques

Figure 4. (extraite de l'article Nature). Systématique des états 2+ dans les isotopes de Ni.

 

L’énergie du 2+ mesurée (2,6 MeV) est comparable à celle (2,7 MeV) du noyau doublement magique du 56Ni (Z=N=28). En figure 4, on observe une augmentation par rapport aux derniers isotopes de Ni mesurés ce qui prouve directement que les nombres N=50 et Z=28 restent magiques dans le 78Ni. La systématique des énergies 2+ des isotopes de Ni peut alors être utilisée comme terrain d’essai pour sélectionner les modèles.
On constate que cet effet est bien prédit par les modèles théoriques récents qui ont développé des approches allant du modèle en couches (LSSM, MCSM) aux calculs ab initio (CC et IM-SRG) en passant par les calculs QRPA menés au CEA-DAM avec l’interaction effective de Gogny (version D1M).

En figure 1, on voit dominer les « pics » des noyaux doublement magiques : 4He, 16O, 40,48Ca et 208Pb  parmi les stables ; ceux qui ont déjà été mis en évidence parmi les exotiques sont l’24O (avec le nouveau nombre magique N=16), le 68Ni et le 132Sn. Il est désormais prouvé avec l’étude de l’article de Nature que le 78Ni fait partie de ce groupe !

 

 

 

 
Le noyau exotique de 78Ni rejoint le club fermé des noyaux doublement magiques

Figure 5 (extraite de l'article Nature).
Schéma de niveau du 78Ni.

 

Pour aller plus loin…
Un deuxième état 2+ est observé lorsque le 78Ni est peuplé à partir du 80Zn (Fig. 5). Cette observation fournit la preuve d'une deuxième bande déformée et suggère une disparition de Z=28 et N=50 au-delà de N=50 et en-dessous de Z=28. En ce sens, 78Ni agit comme un bastion doublement magique avant que la déformation ne prédomine dans des noyaux plus exotiques.

Et au-delà du 78Ni ?
En étudiant des noyaux encore plus riches en neutrons, on pourrait trouver des isotopes déformés et faiblement liés, la déformation pouvant conduire au décalage de la limite de liaison nucléaire vers des isotopes plus lourds. Pour progresser et conclure sur la disparition attendue des fermetures traditionnelles de couches, il faudra donc étudier l’évolution des couches au voisinage de la limite de liaison pour les isotopes du nickel et pour les chaînes isotopiques voisines (Z=27 cobalt, Z=29 cuivre). Cela nécessitera des mesures des masses (c’est-à-dire des énergies de liaison) des noyaux les plus exotiques. Ces observables serviront de banc de test pour les calculs ab initio et permettront ainsi de valider notre compréhension des interactions et des mécanismes de liaison loin de la vallée de stabilité.

 

 
Références
[Nat19] "78Ni revealed as a doubly magic stronghold against nuclear deformation",
 R. Taniuchi, C. Santamaria,  P. Doornenbal, A. Obertelli et al., la collaboration Seastar1, parution dans Nature le 2 mai 2019. Nature 569, pp. 53–58 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1155-x
[Minos] MINOS, acronyme pour Magic Number Off Stability http://minos.cea.fr  Le dispositif Minos a été conçu et développé à l’Irfu grâce à une bourse ERC. 
Page du projet Minos : http://irfu.cea.fr/dphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3016
[Seastar] résultats sur les pages Web de l’IRFU :
Seastar1 (Mai 2014)  “Exploration des noyaux les plus riches en neutrons avec MINOS” (première campagne Seastar, Mai 2014, principe de MINOS, résultats sur la spectroscopie du 66Cr et des noyaux de 70,72Fe):
http://irfu.cea.fr/dphn/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=3661
Seastar2 (Mai 2015)  Des formes en compétition dans les isotopes riches en neutrons de Krypton  98,100Kr
http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=4066
Seastar3 (Mai 2017)  110Zr, ni une sphère ni une pyramide, mais un ellipsoïde!
http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=3862
 
L’équipe Minos de l’Irfu pour la campagne Seastar-1 à RIBF (mai 2014) :
A. Corsi, A. Obertelli, G. Authelet, D. Calvet, F. Château, A. Delbart, J.-M. Gheller, A. Giganon, A. Gillibert, V. Lapoux,
C. Péron, A. Peyaud, E.C. Pollacco, J.-Y. Roussé, C. Santamaria.
 
Contacts DPhN : Anna Corsi, Valérie Lapoux   Contact : C. Santamaria (LBNL) casantamaria [at] lbl.gov
 

Maj : 06/05/2019 (4576)

 

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