Au cours d’une expérience réalisée au GANIL à Caen (France), une équipe internationale, menée par des chercheurs de l’Irfu et de l’Université d’Oslo, a étudié la forme du noyau de Zirconium-98. La forme d’un noyau correspond à la zone où ses protons et neutrons peuvent se trouver. La comprendre, c’est arriver à maîtriser le comportement de chacun d’eux et leur agencement liés à la force nucléaire. L’objectif était de déterminer la forme du noyau dans différents états excités. Les résultats donnent un scénario complexe, pour lequel trois formes différentes – sphérique, légèrement déformée et fortement déformée – coexistent au sein du même noyau suivant qu’il est dans son état fondamental ou excité. De plus, son noyau voisin, le Zirconium-100 avec seulement deux neutrons en plus, se comporte à l’inverse. Ce changement soudain de la forme de ces deux isotopes est un phénomène rare qui permet de contraindre fortement les modèles de structure nucléaire. Ces résultats ont fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters [1].
Fig. 1 Le spectromètre EXOGAM (à droite sur la plateforme bleue) couplé au spectromètre à particules VAMOS (à gauche)
En fonction du nombre de protons et de neutrons qui le constituent, le noyau peut prendre différentes formes : sphérique, allongée comme un cigare ou aplatie comme une lentille. La forme d’un noyau évolue lentement avec le nombre de protons et de neutrons, et de nombreux travaux ont déjà permis de cartographier ces évolutions le long de la carte des noyaux. Les noyaux constitués d’environ 40 protons et 60 neutrons présentent un intérêt particulier car des changements plus abrupts de formes ont été observés.
Un même noyau peut exister dans son état dit fondamental (qui lui coûte le moins d’énergie, le plus stable) ou dans plusieurs états excités ; dans ce cas, il peut se désexciter en émettant du rayonnement gamma, c’est-à-dire des photons. En étudiant le noyau de Zirconium-98, produit lors d’une expérience au GANIL, les chercheurs souhaitaient étudier sa forme via la mesure du temps de vie des différents états excités. Cette expérience a nécessité les équipements de pointe du GANIL : le spectromètre VAMOS a permis d’identifier les noyaux produits lors de la réaction. Quant au détecteur EXOGAM, il a permis de mesurer les rayonnements gamma issus de la désexcitation du noyau et d’en déduire leur temps de vie (de l’ordre de la picoseconde) et donc leur forme (voir Fig. 1).
Les résultats montrent la coexistence de trois formes au sein du Zirconium-98 : sphérique lorsqu’il est dans son état fondamental, légèrement déformée à faible énergie d’excitation et fortement déformée à une énergie d’excitation supérieure (Fig. 2).
En comparant ces observations aux formes connues du Zirconium-100 (qui a seulement deux neutrons de plus), les chercheurs ont pu déduire que la transition de formes entre ces deux isotopes du Zirconium était soudaine, un phénomène rare. Ils ont également noté une inversion de la forme de ces noyaux dans leurs états fondamentaux et excités : le Zirconium-98 est sphérique au repos et déformé lorsqu’il est excité. Pour le Zirconium-100, c’est l’inverse. C’est ce qui explique le changement extrême de formes des états fondamentaux de ces noyaux. Ces observations révèlent la structure sous-jacente du noyau, fournissant ainsi de nouvelles contraintes pour les modèles de structure nucléaire qui, à l’exception du Modèle en Couche Monte Carlo, prédisaient des évolutions lentes de la forme du noyau.
Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters le 9 novembre 2018 [1].
Référence
[1] P. Singh et al. Phys. Rev. Lett. 121, 192501 (2018).
Contact
Fig. 2 : Représentation de trois états excités du noyau de Zirconium-98. Pour cet isotope, plus l’énergie d’excitation est forte, plus le noyau est déformé.
• Structure de la matière nucléaire › Noyaux atomiques
