Département de Physique Nucléaire

L'interprétation du comportement collectif des noyaux atomiques en termes de formes déformées est au cœur de notre compréhension des divers phénomènes émergents qu’ils exhibent et qui se manifestent dans des conditions et des échelles d’énergies très différentes, allant de l’énergie nucléaire jusqu’aux processus astrophysiques. Expérimentalement, la déformation nucléaire est traditionnellement étudiée en réalisant des expériences de basse énergie. Récemment, cependant, une collaboration de physicien s'est rendue compte que l'on pouvait accéder à la forme des noyaux également dans des expériences de collision d'ions à haute énergie.

En effet, dans de telles collisions, la géométrie joue un rôle crucial. Comme le montre la Fig. 1, lors de la collision de deux noyaux déformés, la géométrie de la zone de chevauchement sera contrainte par la géométrie des deux noyaux. Si cette zone n'est pas un disque mais une ellipse, elle entrainera une déformation de la distribution des hadrons dans le plan perpendiculaire au faisceau, qui sera détectée dans l'état final de la collision. Cette déformation de la distribution des hadrons est appelée flux elliptique et peut être, in fine, reliée à l'asymétrie initiale de la zone d'interaction. La déformation nucléaire n’est cependant pas toujours la seule source du flux elliptique. Comme l'illustre la figure 2, dans le cas de noyaux sphériques, mais de collisions non centrales (côté gauche), la région d'interaction est déformée et génère un flux elliptique. Par conséquent, la sélection des événements les plus centraux est cruciale pour étudier la forme des noyaux.

Peut-on traduire ces considérations géométriques en estimations quantitatives ? Il s'avère que les collisions d'isobares (c'est-à-dire de nucléides ayant un nombre différent de protons mais le même nombre de nucléons) permettent de le faire très proprement. En effet, si les deux nucléides sont caractérisés par la même forme et le même nombre de nucléons, le même flux elliptique sera produit lors des collisions, et le rapport des flux elliptiques sera égal à un. Au contraire, tout écart significatif par rapport à l'unité indique des déformations initiales différentes des deux noyaux. En particulier, la collaboration a démontré qu'une telle déviation peut être reliée à des paramètres de forme spécifiques des deux isobares [1]. Les simulations de Monte Carlo ont ensuite confirmé que l'effet est important et ont fourni des prédictions pour deux ensembles de collisions isobares, à savoir ⁹⁶Ru vs ⁹⁶Zr et ¹⁵⁴Sm vs ¹⁵⁴Gd (voir la figure 3, où les rapports dépassent en effet significativement l'unité vers la centralité zéro, c'est-à-dire pour les collisions frontales). Récemment, la collaboration STAR (l'un des détecteurs RHIC à Brookhaven, USA) a publié des données expérimentales sur le premier cas qui confirment cette prédiction.

Peu après, une autre percée a été réalisée, basée sur le fait que la quantité de mouvement moyenne des hadrons produits (à nouveau dans le plan perpendiculaire au faisceau) peut être utilisée pour évaluer l'orientation relative des deux noyaux au point de collision. Pour les collisions d'un isotope (déformé) donné, cela peut être exploité pour sélectionner les événements dans lesquels la zone de chevauchement est maximale. Il est important de noter que la forme de cette zone de recouvrement sera différente selon que le noyau a une déformation prolate, oblate ou triaxiale (cette dernière désignant un sphéroïde à trois axes inégaux, voir la figure 4).

En conséquence, l'écoulement elliptique observé nous permet de distinguer ces possibilités, c'est-à-dire de déterminer le paramètre γ contrôlant le déséquilibre en longueur des axes du sphéroïde déformé. Ce paramètre varie de 0° (forme prolate ou oblong) à 60° (forme oblate). Les théoriciens de l'Irfu, de Madrid, de Lyon et de Heidelberg ont vérifié ces résultats en effectuant des calculs de structure nucléaire de pointe du noyau 129Xe, puis des simulations de Monte Carlo pour les collisions relativistes de ces isotopes [2]. Les résultats sont présentés à la figure 5 et une différence nette dans l'observable considéré (ici le corrélateur de Pearson) peut être observée entre les noyaux oblates (courbe bleue en pointillés) et les noyaux allongés (courbe verte en pointillés).  Les configurations triaxiales se situent entre les deux (courbe rouge pointillée), tandis que les courbes noires pleines correspondent au résultat obtenu pour un noyau sphérique, ²⁰⁸Pb.