Les états de proton quasi-liés dans les bismuths légers. La systématique et
Dans les isotopes légers de plombs, ayant une couche fermée de protons à Z = 82, un phénomène surprenant est observé : la coexistence de forme du noyau. Les isotopes 186Pb et 188Pb, sphériques dans leur état fondamental, présentent des états excités déformés (aplati et allongé) de spin-parité 0+ à des énergies d'excitation très proches. Ces déformations sont interprétées comme des excitations de paires de protons du coeur magique de plomb. Pour comprendre l'origine microscopique de cette coexistence de forme, il faut identifier et comprendre le comportement des orbitales nucléoniques qui y contribuent. C'est pourquoi nous avons étudié les excitations du proton de valence dans les isotopes 187Bi et 189Bi ( Z = 83) par spectroscopie gamma. Ces isotopes ont un proton de plus que les coeurs de plombs 186Pb et 188Pb respectivement.
Les noyaux d'intérêt ont été produits par des réactions de fusion-évaporation induites par un faisceau de krypton sur une cible d'argent. Le noyau composé est formé avec une énergie d'excitation très élevée. Il se désexcite par émission de particules légères ou par le processus de fission qui est très favorable dans ces noyaux lourds riches en protons. Les sections efficaces de production de ces noyaux loin de la stabilité sont très faibles (de l'ordre de quelques µbarn ou moins). Une identification du noyau résiduel de fusion-évaporation est donc indispensable dans une expérience spectroscopique. Pour cela, la technique très puissante et sélective de la RDT (Recoil Decay Tagging) a été appliquée. Elle consiste à identifier les noyaux résiduels de fusion-évaporation par leur décroissance caractéristique. Dans notre cas, les isotopes 187Bi et 189Bi sont émetteurs de particules alpha.
Les résidus de fusion-évaporation sont sélectionnés et séparés du faisceau et des produits de fission par le séparateur magnétique à gaz RITU (Recoil Ion Transport Unit). Ensuite, ils sont implantés au plan focal dans un détecteur silicium sensible à la position. Ce détecteur permet de mesurer les corrélations en temps et en position entre un résidu de fusion-évaporation et sa décroissance alpha caractéristique. Ainsi, il est possible d'identifier les résidus événement par événement. L'étude des éléments super-lourds repose également sur cette méthode. Autour de la cible de production, le spectromètre multi-détecteur de rayonnements gamma Jurosphere II permet d'observer les états à haut-spin par spectroscopie gamma prompte. D'autre part, un détecteur germanium, placé derrière le détecteur silicium au plan focal, est utilisé pour observer la décroissance d'états métastables, qui ont survécu au parcours dans le séparateur. Les résultats obtenus par spectoscopie retardée sont présentés ici.
Dispositif expérimental de l'université de Jyväskylä (Finlande) Multi-détecteur de rayonnements gamma JUROSPHERE II couplé au séparateur RITU
Les isotopes de bismuth de masse impaire ont un état fondamental 9/2- et un état excité 13/2+. Ce sont des états de proton, ils ont un proton de valence sur l'orbitale h9/2 et i13/2 respectivement couplé au coeur de plomb (voir la figure 1).
Pour les masses A <= 195, l'état 13/2+ est isomérique et il est donc possible de l'étudier par spectroscopie retardée. Pour l'isotope 189Bi, l'existence de cet état à 357 keV a été confirmée et pour l'isotope 187Bi, cet état a été observé pour la première fois à une énergie de 252 keV. Ainsi la systématique des états 13/2+ dans les isotopes de bismuth de masse impaire a été étendue jusqu'à 22 neutrons de la stabilité. Il est particulièrement intéressant de noter que l'isotope 189Bi est le premier de la chaîne des bismuths où le proton de valence est quasi-lié, c'est-à-dire qu'il n'est plus lié par le potentiel nucléaire mais seulement par le potentiel coulombien.
Dans la représentation de la figure 1, on observe clairement que l'énergie d'excitation de l'état 13/2+ diminue avec la masse. Les orbitales de protons et de neutrons sont représentées sur cette figure. Cependant, la question se pose de savoir si de façon absolue c'est l'orbitale i13/2 qui diminue son énergie ou l'orbitale h9/2 qui l'augmente ? Cette information ne peut être obtenue que si on change le référentiel.
Sur la figure 2, les énergies des états 9/2- et 13/2+ sont données relativement au coeur de plomb à partir de l'énergie de séparation d'un proton Sp. On obtient ainsi l'énergie de liaison de ces états dans le potentiel du coeur de plomb. On observe deux comportements différents pour chaque état. Quand l'orbitale i13/2 est progressivement remplie de paires de neutrons (c'est-à-dire jusqu'au 197Bi), l'énergie de l'état 9/2- diminue plus rapidement que celle de l'état 13/2+. Pour les autres orbitales (A > 197), leur comportement devient plus similaire. Cela se comprend par le fait que l'interaction p h9/2 * n i13/2 est plus attractive que celle p i13/2 * n i13/2 (cf T. Otsuka et al. PRL 87 (2001)).
Un calcul simplifié de modèle en couche sphérique à partir d'une interaction effective réaliste a été effectué. L'ingrédient principal est l'interaction entre les protons de valence et les neutrons du coeur de plomb. Les données expérimentales sont spectaculairement bien reproduites, ce qui montre que notre modèle reste applicable jusqu'à plus de 20 neutrons de l'isotope stable de 209Bi. Pour plus de détails cf : A. Hürstel, M. Rejmund et al. ``Isomeric states in proton-unbound 187,189Bi isotopes'' EPJA, sous presse.
Figure 1 : Energies des états 13/2+ (cercles) données relativement à l'état fondamental 9/2- (carrés) dans les isotopes de bismuth de masse impaire, de l'isotope stable 209Bi jusqu'au 187Bi.
Figure 2 : Energies des états 9/2- (carrés) et 13/2+ (cercles) données dans le potentiel du coeur de plomb. Les données expérimentales sont comparées à un calcul simplifié de modèle en couches dont l'ingrédient principal est l'interaction proton-neutron.
L'auteur tient à exprimer sa plus vive reconnaissance à Maurycy Rejmund pour avoir initié et réalisé avec succès des calculs de modèle en couches dans une région de masse jusqu'alors inexplorée par cette théorie.
