Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Comme tous les noyaux, l’uranium possède des isotopes, caractérisés par le même nombre de proton, 92, mais un nombre de neutron variable, principalement 146 à l’état naturel. Cet isotope le plus abondant de l’uranium est noté ²³⁸U, où 238 indique la somme des protons et des neutrons. Les isotopes de l'uranium sont des noyaux déformés (non sphériques) dont certaines caractéristiques peuvent être révélées par l'étude des rayons gamma émis lors de réactions de capture de neutrons (Figure 1). Une de ces caractéristiques est la "fonction force radiative" qui représente la capacité du noyau à émettre (ou absorber) des rayons gamma. Les fonctions forces sont un ingrédient important pour la modélisation des réactions nucléaires telles que la capture neutronique (n,γ) et les réactions de diffusions inélastiques (n,n'γ)¹. Cette fonction ne peut pas être directement mesurée mais la comparaison des simulations et des mesures permet d'en déduire les principales propriétés.

Le dispositif expérimental utilise la source pulsée de neutrons n_TOF du CERN et un Calorimètre à Absorption Totale (TAC) pour détecter les rayons gamma (Figure 2).
Ce dispositif permet de mesurer l'énergie (E_n) des neutrons incidents ainsi que la multiplicité (m) et l'énergie (E_γ) des rayons gamma émis lors des réactions de capture. Dans l'exemple de la Figure 2, on détecte m = 3 rayons gamma dont la somme des énergies est égale à l'énergie d'excitation du noyau composé, soit S_n + E_n où S_n est l'énergie de liaison du neutron capturé (S_n = 5.29 MeV pour ²³⁵U).
 

Une fois les mesures effectuées au CERN, l’interprétation des données repose sur des simulations. Ces dernières sont réalisées au moyen du code Monte-Carlo Geant4 en tenant compte des effets expérimentaux affectant les rayons gamma, de leurs émissions dans l'échantillon d'uranium jusqu'à leurs détections dans le calorimètre. Le cœur de ces simulations est un modèle de cascade électromagnétique basé sur deux ingrédients essentiels :
- La densité de niveaux, qui permet de décrire la répartition des niveaux d’énergies du noyau;
- La fonction force radiative, qui permet d’estimer les probabilités de transitions entre les niveaux, la transition d’un niveau à un autre se faisant par émission de rayon gamma.
Ce modèle est implémenté dans les codes Fifrelin (développé par la DES) et Dicebox (développé par l'université Charles de Prague) dont le fonctionnement est illustré Figure 3.
 

Les données simulées et mesurées sont comparées dans la Figure 4 pour des multiplicités m = 2, 3, 4 des rayons gamma émis lors de la réaction ²³⁴U(n,γ). Dans tous les cas la distribution de la somme des énergies des rayons gamma est parfaitement reproduite, en particulier à la valeur de S_n (pic dans la zone grisée des graphes de la colonne de gauche). Pour cette valeur, la distribution en énergie des rayons gamma (colonne de droite) est également bien reproduite.

L'excellent résultat de ces simulations est en grande partie dû à la prise en compte d'un mode d'oscillation spécifique de la forme du noyau à basse énergie d'excitation. Ce mode s'interprète comme l'oscillation des neutrons et des protons constituant le noyau dans un mouvement de ciseaux, d'où son nom de mode ciseaux. Ce dernier est modélisé par 2 pics situées autour de 2 et 3 MeV dans la fonction force radiative représentée Figure 5. Le modèle "MGLO(3.0)" utilisé dans ce travail permet de reproduire de manière cohérente avec un unique jeu de paramètres tous les spectres gamma mesurés à n_TOF lors de réactions de capture sur les isotopes de l'uranium ²³⁴U(n,γ), ²³⁶U(n,γ) et ²³⁸U(n,γ). La modélisation de ces mesures met en évidence une contribution du mode ciseaux plus importante que les autres modèles