Institute of research into the fundamental laws of the Universe

Le noyau ¹¹⁰Zr, composé de 40 protons et 70 neutrons,  a une importance particulière pour la structure nucléaire et l’astrophysique. Selon certains calculs théoriques, il pourrait manifester une symétrie tétraédrique (dont une représentation extrême est une pyramide). Les nombres 40 et 70 sont prédits favoriser énergétiquement cette symétrie pour le 110Zr. 40 et 70 sont aussi des nombres magiques pour un potentiel nucléaire avec un faible terme de spin-orbite qui, selon certains travaux, pourrait devenir pertinent pour les noyaux les plus riches en neutrons. La plupart des modèles théoriques microscopiques prédisent que le noyau ¹¹⁰Zr est de forme allongée (prolate), et excluent une forme sphérique. Etant données toutes les hypothèses susmentionnées quant à la configuration de ce noyau, la mesure de son spectre d’excitation est importante pour les études d’évolution de la structure nucléaire loin de la vallée de la stabilité.

Une symétrie sphérique ou tétraédrique qui confèrerait au ¹¹⁰Zr une énergie de liaison accrue pourrait avoir un impact sur notre compréhension de l’origine des éléments lourds dans l’univers. 50% des éléments lourds sont créés lors du processus rapide de capture de neutrons (« processus  r ») pendant des évènements violents dans l’univers comme des collisions d’étoiles à neutrons ou des explosions de supernovae. Dans ces conditions, le chemin du processus r traverse des régions de noyaux très riches en neutrons comme ¹¹⁰Zr. Les modèles de ce processus ont besoin de données nucléaires sur ces noyaux, souvent remplacées par des prédictions théoriques car les noyaux d’intérêt sont méconnus. Une défaillance dans les prédictions des abondances des éléments apparaît notamment autour de la masse 110, et notre méconnaissance de la structure du ¹¹⁰Zr a été évoquée par certains travaux comme explication possible.

Le noyau ¹¹⁰Zr est très exotique : il a 14 neutrons de plus que l’isotope stable de Zr le plus lourd. Aucune information sur sa spectroscopie n’était connue jusqu’à présent. Sa mesure a été rendue possible grâce à la combinaison du dispositif MINOS et du détecteur gamma DALI2 auprès de l’accélérateur RIBF de RIKEN, au Japon. MINOS est un dispositif innovant qui permet de maximiser la luminosité de réaction tout en gardant une bonne résolution dans la mesure grâce à la combinaison d’une cible d’hydrogène liquide épaisse (10-15 cm) et une chambre à projection temporelle (TPC) [1]. La conception et la réalisation de MINOS ont fait appel à plusieurs facettes du savoir-faire technique des techniciens et ingénieurs de l'IRFU. Elles sont le fruit d’une collaboration entre le SPhN et les services techniques: SACM pour la cible d’hydrogène, SEDI pour le détecteur TPC, l’électronique et le système d’acquisition, SIS pour l’intégration du système et la gestion du contrôle commande. MINOS a fait l’objet d’un financement très sélectif du European Research Council (ERC).

Une photo du dispositif et de l’équipe MINOS prise pendant la préparation de l’expérience à RIKEN est montrée en Fig. 1. L’accélérateur de RIKEN produit un faisceau « cocktail », contenant plusieurs noyaux exotiques parmi lesquels le ¹¹¹Nb à une intensité de quelques dizaines de particules par seconde. Le faisceau est envoyé sur la cible d’hydrogène liquide de MINOS où a lieu la réaction d’arrachage d’un proton qui permet de peupler le noyau d’intérêt ¹¹⁰Zr. La chambre à projection temporelle équipée d’un détecteur Micromegas [2] permet de reconstruire la position du vertex à l’intérieur de la cible à l’aide de la mesure de la trajectoire des deux protons issus de la réaction. Cette information est ensuite utilisée pour effectuer la correction doppler et remonter à l’énergie de la décroissance des états excités liés de ¹¹⁰Zr qui décroisent par émission gamma.

Les énergies des premiers états excités 2+1,2 et 4+ (Fig. 2, droite) sont compatibles avec une configuration ellipsoïdale encore plus prononcée que celle des isotones moins exotiques (y compris le 112Mo issu de cette même mesure).
Les résultats expérimentaux ont été comparés à différents calculs théoriques en collaboration avec le CEA/DAM/DIF, l’IPN Lyon, l’Université de Madrid et l’Université de Tokyo. Les calculs « au delà du champ moyen » présentés en Fig. 2 (gauche) diffèrent par l’interaction effective utilisée ou le niveau d’approximation pour résoudre le problème à N corps. Même si la chaîne des isotones à N=70 est globalement bien reproduite, les énergies des états 2+ de 110Zr et 112Mo sont surestimées, ce qui nous indique que ces noyaux sont encore plus déformés que prédit. Notre comparaison montre que les limitations des interactions utilisées sont l’explication la plus probable de ce désaccord. Les états mesurés ne sont pas compatibles avec une symétrie tétraédrique, ce qui nous permet d’écarter cet effet de structure nucléaire à Z=40 et N=70 comme explication des abondances des éléments de masse ~110 issus du processus r [3]. Il reste toutefois possible que cette configuration ait lieu dans des états excités.