Les faisceaux radioactifs permettent d’étudier les propriétés de la matière nucléaire loin de la vallée de stabilité. Certains noyaux ont un comportement inhabituel qui met en défaut les modèles nucléaires, élaborés principalement à partir des propriétés des noyaux stables. Au Ganil, avec les faisceaux Spiral, les physiciens du Dapnia ont obtenu des résultats prometteurs sur la structure de l’hélium-8 et sur les coexistences de forme des kryptons déficients en neutron. Afin d’exploiter les futurs faisceaux radioactifs de Spiral2, un programme ambitieux est entrepris au Dapnia pour développer de nouveaux ensembles de détection performants.

Introduction

La structure du noyau atomique est régie par l’interaction entre les nucléons, protons et neutrons, liés par l’interaction forte. Ce système quantique à plusieurs corps est généralement décrit par un champ moyen nucléaire bâti sur une interaction effective nucléon-nucléon. La description de cette interaction s’est développée à mesure que les données précises de spectroscopie s’accumulaient. Jusqu’aux années 80, ces données provenaient principalement des noyaux stables pour lesquels l’isospin, relié à la différence entre le nombre de protons et de neutrons, est faible comparé au nombre de masse. La dépendance en isospin de l’interaction nucléaire effective n’est en fait pas bien connue et réclame des études approfondies. Grâce au développement des faisceaux radioactifs à partir des années 90, il est devenu possible d’étudier l’effet de grandes valeurs de l’isospin, en particulier dans les noyaux légers. Les physiciens nucléaires du Dapnia ont pour objectif de vérifier les prédictions et la validité des modèles nucléaires par l’étude expérimentale de noyaux aux limites extrêmes de stabilité, de moment angulaire et de déformation.

Les équipes du Dapnia travaillent principalement avec les faisceaux radioactifs délivrés par les dispositifs Sissi et Spiral du Ganil et les faisceaux stables du cyclotron JYFL à Jyväskylä (Finlande). Des équipements ont été spécialement développés pour utiliser efficacement ces faisceaux de basse intensité et grande émittance. Ce sont des détecteurs de faisceau, Cats; un spectromètre gamma de grande efficacité, Exogam ; un spectromètre magnétique de grande acceptance angulaire, Vamos ; un ensemble de « télescopes » pour la détection de particules légères chargées, Must. Le Dapnia s’est fortement investi dans la réalisation de ces instruments, construits en collaboration avec des laboratoires de l’IN2P3 (Must) et avec la contribution d’instituts européens (Vamos, Exogam).

Structure des noyaux exotiques légers

Des informations précises sur la structure des noyaux exotiques légers peuvent être obtenues par le biais de réactions nucléaires directes telles que les diffusions élastique et inélastique (p,p’) et les réactions de transfert de nucléons. Au Ganil ont été étudiés par réactions (p,p’), les isotopes d’hélium faiblement liés ^6,8He, et les isotopes de carbone pauvres en neutrons ^10,11C. Le Dapnia s’est aussi engagé dans les expériences de recherche d’états non liés dans les noyaux légers (⁵H, ⁷He, agrégats de plusieurs neutrons) à partir de réactions de transfert spécifiques dans le but d’explorer les interactions à quelques corps dans les systèmes nucléaires.
L'analyse des diffusions élastiques de l'6He a montré que la faible énergie de liaison d'un noyau exotique entraîne une augmentation des probabilités de couplages de l’état fondamental au continuum des états excités, ce qui se traduit par une modification de l’interaction nucléaire effective entre le projectile et la cible. Cet effet est observé pour plusieurs énergies incidentes, et doit être pris en compte dans les analyses des réactions (p,p’) de transfert et de fusion. Les sections efficaces inélastiques sur l’état 2⁺ de l’⁶He sont en accord avec une configuration en halo pour ce noyau. La même technique a été employée avec les faisceaux de ^10,11C. L’analyse montre un accord avec les densités fournies par des modèles « microscopiques » prédisant des agrégats de particules alpha. De nouvelles études sont nécessaires pour caractériser ces structures granulaires.
En novembre 2001, les physiciens du Dapnia ont réalisé une expérience de diffusion (p,p’) avec le premier faisceau d’⁸He de Spiral afin de déterminer les propriétés de ce noyau, décrit par les modèles comme étant un ⁴He entouré d’une « peau » de 4 neutrons. Un noyau doté d’une telle structure permet de tester la validité des calculs microscopiques à plusieurs corps et d’étudier les propriétés de l’interaction nucléon-nucléon à basse densité. Les sections efficaces élastique, inélastique et de transfert ont été extraites ; la comparaison avec les calculs théoriques est en cours.

Coexistence de forme

Les nucléons peuvent diminuer leur énergie en déformant leurs orbitales. La distribution de masse du noyau n’est alors pas sphérique. Dans certains cas particuliers, comme celui des isotopes de krypton dont le nombre N de neutrons est proche du nombre Z de protons, des formes différentes (aplatie ou allongée) sont attendues. Les états quantiques résultants seront mélangés et modifiés ; ce phénomène est appelé coexistence de forme.
Dans ces noyaux où N et Z sont pairs, ce phénomène est caractérisé par des états 0⁺ très proches en énergie; la décroissance vers l’état fondamental ne pouvant s'effectuer que par émission d'électrons de conversion.
La coexistence de forme des isotopes de krypton a été étudiée pour la première fois dans une expérience réalisée au Ganil qui combinait spectroscopie gamma et spectroscopie d'électrons. Dans le ⁷²Kr, le résultat est surprenant : le premier état excité est un état 0⁺ isomérique. Il s'agit d'un isomère de forme puisque la forme du noyau associée est différente de celle de son état fondamental. Afin de directement mesurer la forme de ces isotopes, les noyaux de ^74,76Kr ont été étudiés avec Spiral par excitation coulombienne (mesure du moment quadripolaire électrique). Cette expérience, qui constitue une première pour des noyaux radioactifs, ouvre la voie à de futures études du ⁷²Kr ; celles-ci permettront de mieux connaître le rôle des corrélations d'appariement proton-neutron.
Ce phénomène de coexistence de forme a aussi été observé dans les isotopes pauvres en neutrons de ^187,189Bi à Jyväskylä.

Vers l’îlot des superlourds

Jusqu’où la table des noyaux peut-elle encore s’étendre ? Des modèles théoriques prédisent l’existence d’un îlot de stabilité pour des noyaux très lourds, au-delà des éléments les plus lourds de la table de Mendeleïev. Néanmoins, ils divergent sur la position et les caractéristiques de cette région. Expérimentalement, ces noyaux sont difficiles à observer en raison de très faibles sections efficaces de production (inférieures au picobarn). Dans le cadre d’un programme de recherche sur les éléments superlourds au Ganil, la production des ₁₀₆Sg et ₁₀₈Hs a permis de valider le dispositif expérimental pour lequel le Dapnia a fourni un équipement important : la cible tournante. Une expérience a été réalisée au Ganil fin 2003 pour synthétiser l’élément 114, dont l’existence est débattue, par fusion de noyaux de ⁷⁶Ge sur une cible de ²⁰⁸Pb.
La spectroscopie des transfermiums (Z > 100) pour lesquels les sections efficaces sont plus élevées (~1 microbarn) apporte un éclairage complémentaire à ces expériences pionnières. Le laboratoire de Jyväskylä est doté d’équipements adaptés pour ces études. Les noyaux de ²⁵⁰Fm et de ^252,254No (N, Z pairs), bien que faiblement liés, présentent des états excités de moments angulaires étonnement élevés, en accord avec les calculs théoriques. Il est intéressant d’étudier les noyaux impairs pour lesquels les états excités renseignent sur les fonctions d’onde du modèle en couches. Les physiciens nucléaires du Dapnia se sont donc concentrés sur le ²⁵¹Md, où, pour la première fois dans un transfermium impair, on a pu observer trois bandes rotationnelles. Des spectroscopies gamma et d’électrons sur les ²⁵¹Md et ²⁵¹Fm sont également réalisées au Ganil à partir de la décroissance du ²⁵⁵Lr.

Perspectives

Le Dapnia s’est engagé dans plusieurs projets instrumentaux pour mesurer, avec une efficacité accrue, une meilleure précision et une grande granularité, les particules chargées et les gammas produits dans les réactions induites par les faisceaux radioactifs. Ces projets concernent des détecteurs de faisceau, Must2, - ensemble de détecteurs au silicium de grande dimension (100 cm²) -, et Agata, un spectromètre gamma de nouvelle génération. Le premier module de détection de Must2, disposant d’une microélectronique développée par le Dapnia, sera testé au Ganil en 2004. Les premières expériences avec le dispositif complet sont prévues pour 2005. La collaboration européenne Agata vise à construire d’ici 2006 un prototype de démonstration basé sur des technologies novatrices (détecteurs segmentés au germanium, analyse de forme du signal, reconstruction de trajectoires).
À la fin de la décennie, Spiral 2 permettra de produire et d’étudier des noyaux exotiques au-delà des isotopes du krypton. Cet équipement sera le précurseur d’Eurisol et de GSI, projets européens d’accélérateurs de faisceaux radioactifs très intenses qui ouvriront l’exploration de régions encore mal connues de la carte des noyaux.