Département de Physique Nucléaire

Les noyaux magiques

Un noyau atomique est constitué de protons et de neutrons, il est qualifié de magique si son nombre de protons Z ou de neutrons N est égal à 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Les noyaux stables magiques présentent des caractéristiques bien connues : ainsi, l’énergie de son premier état excité de spin 2⁺ est plus élevée que ses isotopes voisins, il faut donc lui fournir plus d’énergie pour l’exciter. Un noyau magique présente une stabilité plus importante que ses voisins. En figure 1, les nombres magiques habituels pour N ou Z sont affichés avec les lignes pointillées et nous pouvons clairement voir les « pics » correspondant à des noyaux magiques.

La mesure de l’énergie du premier état excité de spin 2⁺ peut donc révéler le caractère « magique » d’un noyau. Au-delà de l'indication des nombres magiques, les mesures systématiques des énergies des premiers états 2⁺ nous renseignent sur les propriétés de l'interaction forte au sein du noyau atomique. Ces propriétés sont sous-déterminées à l'heure actuelle, du fait des incertitudes théoriques. L’évolution des effets de couches loin de la vallée de stabilité est l’une des questions majeures de la physique nucléaire. 
Les noyaux très riches ou très déficients en neutrons sont instables (radioactifs) et qualifiés d’« exotiques ». Les physiciens veulent savoir si les propriétés associées aux nombres magiques connus persistent dans les noyaux exotiques ou si de nouveaux phénomènes peuvent apparaître, associés à des nombres magiques encore inconnus à ce jour. Certains ont déjà été mis en évidence, comme l’apparition d’un nouveau nombre magique à N=16 et la disparition de N=20 dans les isotopes d’oxygène.
 

L’expérience

Lors des réactions induites par des faisceaux de quelques particules par seconde sur la cible de protons, les noyaux instables sont produits avec un taux de comptage très faible. Minos a été conçu pour augmenter la luminosité en combinant une cible d’hydrogène liquide épaisse de 10 à 15 cm d’épaisseur (en bleu sur la Fig. 2), avec un détecteur de traces, qui est une chambre à projection temporelle (TPC), construite avec la technique Micromegas (en gris sur la Fig. 2).

Pour étudier le ⁷⁸Ni, la cible épaisse d’hydrogène de Minos a été bombardée avec un faisceau de noyaux de cuivre 79 (et de zinc 80) ce qui a induit des réactions nucléaires sur les protons de la cible, produisant du nickel 78 et deux protons (trois protons respectivement). Le ⁷⁸Ni peut être produit dans un état excité, état dont nous étudions la désexcitation par émission de rayons gamma. Comme on ne produit que quelques noyaux ⁷⁹Cu ou de ⁸⁰Zn par seconde, le dispositif Minos était indispensable pour augmenter le nombre de particules produites dans la réaction.

Résultats et interprétation

La figure 3 montre le spectre mesuré du ⁷⁸Ni produit en retirant un proton du ⁷⁹Cu. La transition à 2,6 MeV est associée à la décroissance du premier état 2⁺ excité.

L’énergie du 2⁺ mesurée (2,6 MeV) est comparable à celle (2,7 MeV) du noyau doublement magique du ⁵⁶Ni (Z=N=28). En figure 4, on observe une augmentation par rapport aux derniers isotopes de Ni mesurés ce qui prouve directement que les nombres N=50 et Z=28 restent magiques dans le ⁷⁸Ni. La systématique des énergies 2⁺ des isotopes de Ni peut alors être utilisée comme terrain d’essai pour sélectionner les modèles.
On constate que cet effet est bien prédit par les modèles théoriques récents qui ont développé des approches allant du modèle en couches (LSSM, MCSM) aux calculs ab initio (CC et IM-SRG) en passant par les calculs QRPA menés au CEA-DAM avec l’interaction effective de Gogny (version D1M).

En figure 1, on voit dominer les « pics » des noyaux doublement magiques : ⁴He, ¹⁶O, ^40,48Ca et ²⁰⁸Pb  parmi les stables ; ceux qui ont déjà été mis en évidence parmi les exotiques sont l’²⁴O (avec le nouveau nombre magique N=16), le ⁶⁸Ni et le ¹³²Sn. Il est désormais prouvé avec l’étude de l’article de Nature que le ⁷⁸Ni fait partie de ce groupe !

Pour aller plus loin…
Un deuxième état 2⁺ est observé lorsque le ⁷⁸Ni est peuplé à partir du ⁸⁰Zn (Fig. 5). Cette observation fournit la preuve d'une deuxième bande déformée et suggère une disparition de Z=28 et N=50 au-delà de N=50 et en-dessous de Z=28. En ce sens, ⁷⁸Ni agit comme un bastion doublement magique avant que la déformation ne prédomine dans des noyaux plus exotiques.

Et au-delà du ⁷⁸Ni ?
En étudiant des noyaux encore plus riches en neutrons, on pourrait trouver des isotopes déformés et faiblement liés, la déformation pouvant conduire au décalage de la limite de liaison nucléaire vers des isotopes plus lourds. Pour progresser et conclure sur la disparition attendue des fermetures traditionnelles de couches, il faudra donc étudier l’évolution des couches au voisinage de la limite de liaison pour les isotopes du nickel et pour les chaînes isotopiques voisines (Z=27 cobalt, Z=29 cuivre). Cela nécessitera des mesures des masses (c’est-à-dire des énergies de liaison) des noyaux les plus exotiques. Ces observables serviront de banc de test pour les calculs ab initio et permettront ainsi de valider notre compréhension des interactions et des mécanismes de liaison loin de la vallée de stabilité.