Dans un article publié en août 2018 dans la revue Nature, la collaboration CLAS de Jefferson Lab (USA) rapporte une étude extensive sur les corrélations de courte portée entre nucléons dans différents noyaux. La conclusion va à l’encontre de l’intuition, indiquant que plus le ratio du nombre de neutrons sur le nombre de protons dans un noyau est grand, plus la vitesse des protons est grande par rapport à celle des neutrons. Ces protons très rapides pourraient être une clé pour comprendre la formation de systèmes ultra-riches en neutrons comme les étoiles à neutrons ainsi que leur coalescence observée pour la première fois il y a un an. Ce phénomène est d’autant plus important qu’il pourrait contribuer à la création des éléments lourds de l’Univers.
La collaboration internationale CLAS rassemble environ 200 physiciens dans plus de 40 instituts de 9 pays, dont une équipe de 7 physiciens du DPhN. Elle a utilisé un spectromètre à grande acceptance appelé CLAS de 1998 à 2012, qui depuis fin 2017, est devenu CLAS12 suite à d’importantes améliorations techniques, auxquelles l’Irfu a contribué via un trajectographe central innovant utilisant des Micromegas cylindriques. Les données utilisées dans l’analyse de cet article Nature sont issues d’une ré-analyse récente de données prises en 2004, démontrant par là même l’importance d’une gestion adéquate des données dans le temps pour ces grandes collaborations.
Le spectromètre CLAS a ainsi collecté il y a 14 ans des données de diffusion d’électrons sur des cibles telles que le carbone, l’aluminium, le fer et le plomb, permettant ainsi de faire varier de manière relative le nombre de protons et de neutrons dans les noyaux sondés, le carbone étant symétrique et le plomb ayant environ 50% plus de neutrons que de protons. La grande acceptance du spectromètre CLAS a permis de détecter les événements avec un électron diffusé ainsi qu’une paire de nucléons, et d’en mesurer la vitesse ou l’impulsion. La réaction étudiée est représentée sur la figure 1.
Figure 1: Diffusion d'un électron sur un noyau. Le spectromètre CLAS détecte l'ensemble de l'état final: électron diffusé et paire de nucléons.
Figure 2: Fraction de nucléons ayant une haute impulsion en fonction de l'excès en neutrons. En rouge les protons, en bleu les neutrons.
Le résultat est sans appel, comme le montre la figure 2 : en passant du carbone au plomb, le nombre de protons à haute impulsion augmente d’environ 50%, alors que l’on observe une baisse de 10% pour les neutrons à haute impulsion. Une fraction plus importante de protons est ainsi « entrainée » à haute impulsion par les neutrons au fur et à mesure que le rapport neutrons sur protons (N/Z) augmente. Ces protons de haute impulsion pourraient s’avérer cruciaux pour la compréhension des étoiles à neutrons, dont le nombre de neutrons est bien supérieur au nombre de protons. En effet, la distribution en impulsion des neutrons et protons dans ces astres affecte leur processus de refroidissement et leur équation d’état notamment dans la partie extérieure de l’étoile. Une modification de l'équation d'état et plus particulièrement de son terme de symétrie pourrait de plus avoir une influence dans le processus de coalescence de binaires d’étoiles à neutrons, un phénomène qui a d’ailleurs été détecté par LIGO/VIRGO il y a un an pour la première fois, et qui constituerait l’une des clés pour comprendre la création des éléments plus lourds que le fer dans l’univers.
Un grand programme expérimental dirigé par l’Irfu et financé par l’ANR (Cocotier) est en cours d’élaboration pour aller encore plus loin dans cette étude. En effet, dans les données CLAS, le ratio neutrons/protons change pour chaque noyau étudié, mais la nature même du noyau change et notamment sa masse et sa taille, rendant plus délicate l’interprétation théorique. Notre projet Cocotier tient son originalité dans l’utilisation d’isotopes de carbone en cinématique inverse à GSI (Allemagne), permettant ainsi de faire varier davantage le rapport neutrons sur protons (entre 0.6 et 3) dans un noyau de même nature et faire cette étude de manière plus précise et contrôlée. Les données expérimentales de cette expérience utilisant l’aimant GLAD de R3B livré en 2015 à GSI (Allemagne) - une réalisation de l’Irfu pour FAIR - pourraient être prises à partir de mi-2019.
L'article dans Nature: https://www.nature.com/articles/s41586-018-0400-z
Contact: Franck Sabatié
Livraison de l'aimant Glad à GSI
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