Le noyau atomique est un objet microscopique qui mesure à peine quelques millionièmes de millionièmes de millimètres. Pour autant, l’avancée des méthodes expérimentales nous permet aujourd’hui de mesurer leur taille avec précision même dans le cas de noyaux lourds radioactifs de très courte durée de vie. Ainsi, une collaboration internationale menée par GSI en Allemagne et dont plusieurs physiciens de l’Irfu (DPhN et GANIL) font partie, vient de mesurer pour la première fois la variation des rayons de charge d’isotopes du fermium [1]. De telles mesures nous permettent d’en apprendre davantage sur le comportement quantique de la matière nucléaire.
Les noyaux atomiques sont identifiés par le nombre de protons (Z) et de neutrons (N) qui les composent. En effet, ces particules interagissent entre elles et s’assemblent pour créer les centaines de noyaux stables et milliers de noyaux instables découverts jusqu’à présent. Mais quel est le noyau le plus lourd qui puisse être créé ? Ou, dit autrement, quelle combinaison maximum de protons et de neutrons peut-on assembler pour synthétiser un noyau, même pendant une durée infinitésimale ? Et quelle serait la structure d’un tel noyau ? Pour essayer de répondre à ces questions, les physiciens nucléaires disposent de nombreuses méthodes expérimentales parmi lesquelles « la spectroscopie laser ».
Cette méthode consiste à ioniser des atomes grâce à des lasers pour en déduire certaines propriétés du noyau qu’ils ont en leur cœur. Plus précisément, la longueur d’onde du laser – c’est-à-dire sa couleur – nécessaire pour ioniser l’atome est caractéristique de la structure atomique ; structure atomique qui contient elle-même l’empreinte de certaines propriétés nucléaires. Parmi elles, il y a le rayon de charge moyen du noyau qui nous renseigne sur sa taille. En utilisant cette méthode, les physiciens peuvent étudier la variation de la taille du noyau d’un isotope à l’autre, c’est-à-dire, à nombre de protons égal, suivre l’évolution de la taille des noyaux au fur et à mesure qu’on augmente ou diminue le nombre de neutrons. La spectroscopie laser est une méthode très puissante car elle permet de déterminer certaines propriétés du noyau (le rayon de charge moyen ici) en étudiant directement les atomes, elle est donc indépendante d’une modélisation théorique particulière du noyau avec ses biais. Même si cette méthode est bien établie, ce n’est que très récemment qu’elle a pu être appliquée aux noyaux lourds.Les faibles taux de production et les courtes durées de vie des noyaux lourds au-delà de l’uranium ont nécessité des développements techniques de pointe pour rendre la méthode de spectroscopie laser utilisable pour ce type d’étude. À GSI en Allemagne, la collaboration RADRIS (Radiation Detected Resonance Ionistation Spectroscopy) a ainsi réalisé, il y a une dizaine d’années, la première spectroscopie laser d’un isotope du nobélium (Z = 102) [2]. Aujourd’hui, cette même collaboration a réussi l’exploit de réaliser la spectroscopie laser de 8 isotopes de fermium (Z = 100) et d’un nouvel isotope du nobélium. En plus du nombre et de la masse des noyaux étudiés, une des prouesses de ce travail est la combinaison des méthodes expérimentales utilisées pour produire ces isotopes de fermium et de nobélium (synthèse directe et indirecte via des réactions de fusion-évaporation auprès de l’accélérateur à GSI, ré-irradiation d’échantillons collectés auprès de réacteurs).Les résultats concernant la variation du rayon de charge au carré sont montrés en Figure 1. En particulier, on observe une évolution assez régulière de la taille des noyaux, proche du comportement attendu selon une modélisation simple du noyau comme une goutte liquide qui grossit de manière continue avec le nombre de particules qui la composent (Fig. 1 (a)). Autrement dit, il n’y a pas de changement abrupt de la taille du noyau dû à des effets quantiques (fermeture de couche) auquel on aurait pu s’attendre dans cette zone de la carte des noyaux. Pour interpréter ces résultats, des calculs se basant sur des modèles microscopiques du noyau ont été réalisés, mobilisant notamment les capacités uniques au monde du groupe théorique du DPhN en la matière. Les méthodes mathématiques et numériques développées au DPhN (SLyMR1 in Fig. 1 (b et c)) permettent en particulier de calculer les différentes propriétés caractérisant le noyau atomique, dont le rayon, en prenant en compte les corrélations collectives résultant des interactions entre les protons et neutrons. Ces calculs s’accordent avec l’expérience sur cette tendance et nous interrogent sur le comportement quantique de ces noyaux lourds. En effet, si les noyaux avec Z > 100 ne doivent leur existence qu’aux effets quantiques qui viennent contrebalancer la très forte répulsion coulombienne en leur sein, il semblerait que ceux-ci s’estompent au fur et à mesure que la masse du noyau augmente. Des études expérimentales complémentaires seront donc nécessaires pour enquêter sur cette possible transition vers un régime plus macroscopique de la matière nucléaire.
Aujourd’hui, la collaboration RADRIS se penche déjà sur l’étude d’un nouvel élément : le lawrencium (Z = 103). A plus long terme, à cause des faibles taux de production des noyaux lourds, les physiciens devront se tourner vers des installations de nouvelle génération. De ce point de vue, le spectromètre S3 couplé aux faisceaux de haute intensité du nouvel accélérateur SPIRAL2, situé au GANIL à Caen, offrira bientôt de nouvelles opportunités. Notamment, le dispositif expérimental S3-LEB, récemment installé dans la salle de S3, permettra de réaliser la spectroscopie laser de nouveaux éléments jusqu’à présent inaccessibles, continuant ainsi le programme initié à GSI.
[1] J. Warbinek et al., Nature 634, 1075 (2024)
[2] M. Laatiaoui et al., Nature 538, 495 (2016)
Contacts : B. Bally, M. Vandebrouck Irfu/DPhN