Deux noyaux "miroirs", dans lesquels les nombres de neutrons et de protons sont intervertis, ont des formes très différentes, ce qui défie les théories nucléaires actuelles. Ce résultat frappant a été obtenu par des chercheurs de l'Irfu en collaboration avec une équipe internationale et a été récemment publié dans Physics Review Letter [1] et mis en avant comme suggestion de l'éditeur [2].
Qu'est-ce que la symétrie d'isospin
Le développement des théories nucléaires a été facilité par une symétrie postulée de l'interaction forte qui maintient les nucléons ensemble. Cette interaction considère les neutrons et les protons comme deux états (presque) dégénérés, appelés états d'isospin, de la même particule, le nucléon. On s'attend donc à ce que les noyaux ayant la même quantité totale de nucléons présentent les mêmes propriétés, par exemple la même forme. Cependant, cette symétrie "isospin" n'est pas exacte. En effet, contrairement à l'interaction forte, l'électromagnétisme est sensible à une différence majeure entre proton et neutron : leurs charges électriques, positives pour le proton, et neutres pour le neutron comme son nom l'indique. La rupture de la symétrie d'Isospin peut ainsi être repérée, par exemple, dans la légère différence de masse entre proton et neutron.
Figure 1 : Vue schématique de la Radioactive Ion Beam Factory (RIBF) à RIKEN. Un faisceau intense de krypton à haute énergie est créé dans une série de cyclotrons et frappe la cible de production. Les noyaux produits dans une réaction dite de fragmentation sont séparés dans la 1er étape et identifiés (marqués) dans la 2nd étape du spectromètre BigRIPS. À l'extrémité du spectromètre, les fragments sont envoyé sur une cible d’or, où ils sont excités électromagnétiquement. Le spectre gamma de désexcitation obtenu à l’aide du scintillateur DALI2 NaI(Tl), montre clairement le premier état excité 2+ du 70Kr (voir l’insert).
Les noyaux miroirs, la meilleure sonde pour étudier la symétrie d'isospin
Les noyaux ayant le même nombre de nucléons, mais dont les protons et les neutrons sont intervertis, sont appelés noyaux miroirs et constituent l'une des meilleures sondes pour étudier la symétrie d'isospin. Mais du fait de la répulsion coulombienne, les noyaux comportant plus de protons que de neutrons sont très instables et difficiles à produire en laboratoire. En raison de leur taux de production extrêmement faible, on a pu, par le passé, étudier principalement leurs premiers états excités, mais pas leurs propriétés électromagnétiques, telles que les probabilités de transition des états excités. La situation n'a changé que récemment avec l'arrivée de la deuxième génération d’installations délivrant des faisceaux d'ions radioactifs (Radioactive Ion Beam Factories, ou RIBF), comme celle du RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science au Japon, où ces noyaux sont produits avec une intensité beaucoup plus élevée qu'auparavant. Ces probabilités de transition sont directement liées à la distribution des protons et des neutrons à l'intérieur des noyaux, offrant un moyen pratique de confirmer si la symétrie isospin est un bon miroir pour les noyaux, comme le prévoit la théorie.
Où et comment ces noyaux miroirs peuvent-ils être étudiés ?
Au RIBF, l'équipe a produit différents noyaux ayant le même nombre de masse de A=70 : krypton (Z=36 protons et N=34 neutrons), brome (35 et 35) et sélénium (34 et 36). Des noyaux stables de krypton (A=78) ont été accélérés jusqu'à 70% de la vitesse de la lumière et sont entrés en collision avec une cible en béryllium. Les produits de fragmentation créés lors de cette collision ont été triés en vol par un spectromètre magnétique et identifiés pour former un faisceau secondaire (voir figure 1). Ce faisceau contenant une petite fraction du très exotique krypton 70 (temps de vie T1/2 = 40 ms) a été envoyé sur une cible d’or pour induire une excitation électromagnétique.
En frappant cette feuille d'or, les noyaux ont produit de façon quasi-instantanée des rayons gamma aux fréquences de transitions nucléaires spécifiques. En mesurant l'intensité des rayons gamma à ces différentes fréquences à l'aide de 186 scintillateurs NaI(Tl), il a été possible d'extraire pour la première fois les probabilités de transition. Ces probabilités peuvent être traduites en éléments de la matrice électromagnétique des protons présentée dans la figure 2. La tendance légèrement négative observée en passant du selenium krypton 70 au bromure 70, qui est généralement aussi observée dans de nombreux noyaux de masse inférieure, est clairement rompue dans le krypton 70. La valeur beaucoup plus élevée de l'élément de matrice des protons peut être liée à une déformation plus importante, comme indiqué au-dessus du graphique.
Les nouveaux résultats défient les théories actuelles
Les expériences ont utilisé une combinaison unique au monde d'instruments et de technologies, essentielle pour étudier ces noyaux jusqu'ici inaccessibles. Elles démontrent une violation de la symétrie isospin d'une ampleur inattendue : les transitions électromagnétiques dans les noyaux miroirs de masse 70, le krypton et le sélénium, ont des probabilités qui s'écartent considérablement des prédictions théoriques. Ces différences peuvent refléter des changements dans les formes nucléaires : le sélénium est probablement légèrement aplati - comme une lentille - tandis que le krypton est beaucoup plus déformé et probablement prolongé - comme un ballon de rugby.
Figure 2: Valeur de l’élément de matrice électromagnetique du proton (Mp) des trois isotopes A=70, extraits des probabilités de transition de rayons gamma. Ils sont donnés en fonction du nombre quantique d’isospin TZ=(N-Z) (plus de détails dans le texte).
Afin de mettre en lumière une tendance sous-jacente attendue, bien que non encore observée avec l'isospin, les études à venir nécessiteront des isotopes encore plus "exotiques", où le déséquilibre entre protons et neutrons est plus important. De tels isotopes exotiques seront disponibles au séparateur de fragments supraconducteur (Super-FRS) de l'installation de recherche sur les antiprotons et les ions (FAIR), actuellement en construction en Allemagne en collaboration avec le CEA et qui devrait être opérationnel à partir de 2025/26.
Référénces
[1] "Shape Changes in the Mirror Nuclei 70Kr and 70Se", K. Wimmer, W. Korten et al., Physical Review Letters 126 (2021) 0725012
[2] Editor's Suggestion of Physical Review Letters and featured in Physics
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