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Le silicium-34 : un « noyau bulle » atypique ! - 25 Octobre 2016

Une équipe menée par des physiciens du GANIL a prouvé le caractère très singulier de cet isotope radioactif du silicium. La portée de cette découverte lui vaut d’être publiée dans prestigieuse la revue Nature Physics.

Une équipe menée par des physiciens du GANIL a prouvé le caractère très singulier de cet isotope radioactif du silicium. Alors que dans leur très grande majorité les noyaux atomiques se caractérisent par une densité homogène, le silicium-34 s’apparente à un « noyau bulle », avec une densité de protons anormalement faible en son centre. Cette anomalie en fait un candidat idéal pour sonder l’une des composantes de la force nucléaire forte, essentielle à la structuration en couches des nucléons dans le noyau : l’interaction dite de spin-orbite. La portée de cette découverte lui vaut d’être publiée dans prestigieuse la revue Nature Physics*.    

 

Le contexte

Le noyau atomique doit sa très grande compacité et sa taille infinitésimale, de l’ordre de quelques fermis (10-15 m), à deux caractéristiques de l’interaction nucléaire forte : elle est très attractive et de très courte portée, inférieure à la taille même du noyau. Cela se traduit par une très grande densité au cœur du noyau atomique, de l’ordre de 200 millions de tonnes par cm3. Mais aussi par un effet de saturation : la densité de la matière nucléaire est sensiblement constante depuis le centre du noyau jusqu’à sa périphérie, quel que soit le nombre de nucléons ; elle chute ensuite brusquement à la surface.

Ces observations sont conformes à la modélisation du noyau atomique sous la forme d’une goutte liquide, proposée par le physicien russe George Gamow dès 1930. Suivant ce modèle, le volume du noyau augmente en effet en proportion du nombre de nucléons qu’il contient, avec une densité centrale en neutrons et protons constante.

Cette description a été confortée par Robert Hofstader, co-lauréat du prix Nobel de Physique en 1961 avec Rudolf Ludwig Mössbauer pour avoir mis au point une technique expérimentale permettant de sonder le noyau atomique à l’aide de faisceaux d’électrons. Elle n’a été mise en défaut que très récemment, et pour très peu de noyaux. C’est notamment arrivé en 1985 avec la découverte des premiers noyaux à halos, qui ont une densité beaucoup plus diffuse en surface. Dans ces noyaux légers et très riches en neutrons tels que le lithium-11 (3 protons et 8 neutrons), l’interaction nucléaire forte ne parvient que difficilement à lier les neutrons excédentaires avec le reste des nucléons : les neutrons constituent - pendant les quelques dizaines de millisecondes que vivent les noyaux - une sorte de halo, ce qui augmente considérablement le volume apparent des noyaux. Dans le cas du lithium-11, son rayon est par exemple voisin de celui du plomb-208, contenant 20 fois plus de nucléons dans son noyau !

 

 

La découverte

Récemment, une équipe menée par Olivier Sorlin, chercheur au GANIL, a fait une nouvelle découverte : alors que la densité au centre des quelques 3100 noyaux étudiés à ce jour est sensiblement la même, celle du noyau de silicium-34 est près de 40 % inférieure à la normale !* C’est ce qui ressort d’une expérience que l’équipe a réalisée au National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) de l’Université de Michigan State aux Etats-Unis. Les chercheurs y ont produit des noyaux de soufre-36 et de silicium-34, ce dernier ayant deux protons de moins que le premier : le soufre-36 est donc un bon témoin pour comparer sa structure avec celle du silicium-34. Ces noyaux ont été envoyés sur une cible de béryllium et l’équipe s’est intéressée aux collisions nucléaires donnant lieu à l’arrachage d’un proton à chacun de ces deux noyaux. Ils ont déduit des observations expérimentales que les deux protons manquants au silicium-34 occupent dans le souffre-36 sont situés au centre du noyau. Dans le silicium-34, l’absence de ces deux protons créé ainsi une « bulle », formant un creux au centre du noyau tel qu’illustré dans la figure 1.

Figure 1 : profils de la densité en protons calculés pour le silicium-34 (en haut) et pour le souffre-36 (en bas). Une diminution de la densité de près de 40 % au centre du silicium-34 est déduite de la mesure du très faible taux de peuplement des orbites occupées dans le souffre-36 par les deux protons supplémentaires que compte ce noyau.

Les perspectives

La découverte de la structure en « bulle » du silicium-34 en fait un cas unique pour tester la réponse de l’interaction nucléaire forte à une variation de la densité nucléaire. En effet, une de ses composantes, appelée « interaction spin-orbite », est supposée y être particulièrement sensible. De quoi s’agit-il ? Les protons et les neutrons qui composent le noyau atomique sont, tout comme les électrons, des particules assujetties aux lois de la mécanique quantique. Comme ces derniers, ils occupent ainsi des orbites d’énergies bien précises à l’intérieur du noyau atomique. Ce dernier étant 100 000 fois plus petit que l’atome, les écarts d’énergie entre ces orbites sont cependant beaucoup plus grands que dans les atomes.

L’interaction spin-orbite désigne le couplage qui s’opère entre le spin intrinsèque d’un nucléon (qui indique la direction dans laquelle pointe cette toupie microscopique) et son moment orbital (qui caractérise son mouvement de rotation autour du centre du noyau). Suivant que le spin et le moment cinétique orbital sont orientés dans le même sens ou bien dans un sens contraire, le couplage et par conséquent l’énergie de l’orbitale concernée est très différent. Dans le noyau atomique, cette différence crée un écart en énergie considérable entre les deux orbitales. Lorsque celle de plus basse énergie est pleine de nucléons, il faut beaucoup d’énergie pour promouvoir l’un d’entre eux sur l’orbitale d’énergie supérieure ou plus généralement pour exciter le noyau: ceci fournit à ces noyaux une stabilité accrue par rapport aux autres les rendant plus abondant sur terre et dans l’univers. On dit que ce sont des noyaux magiques. L’interaction spin-orbite est ainsi responsable de la formation de la plupart des noyaux magiques. 

Cette représentation du noyau atomique comme un ensemble de nucléons occupant des orbites d’énergies bien déterminées porte le nom de « modèle en couches nucléaires ». Or, dans ce modèle, l’intensité de l’interaction spin-orbite est supposée dépendre fortement de la variation de la densité nucléaire. Ayant comme particularité d’avoir une dépletion centrale de sa densité, le silicium-34 est donc en principe idéal pour tester cette dépendance. Cela a été fait au GANIL lors d’une expérience au cours de laquelle il a été montré que l’écart entre les états de couplage de spin-orbite alignés ou anti-alignés variait d’un facteur 2 entre les noyaux de soufre-36 et de silicium-34 pour les orbitales qui se trouvent au cœur du noyau et qui ressentent l’effet de la déplétion centrale. Par opposition l’interaction spin-orbite pour les orbitales de surface n’est pas modifiée. Ce résultat, conjugué à la mesure expérimentale de la variation de densité au centre du silicium-34, permet pour la première fois de quantifier l’influence de la variation de densité nucléaire sur la composante spin-orbite de l’interaction nucléaire forte. De nouvelles données d’entrée pour les théoriciens qui vont pouvoir tester la capacité de leurs modèles à reproduire ces résultats expérimentaux, et donc la validité de leur traitement de l’interaction spin-orbite.

D’autres régions de la carte des noyaux (voir la figure 2) ainsi que différents processus nucléaires peuvent être directement impactés par la découverte :

-       les noyaux très riches en neutrons  présentent vraisemblablement une « peau de neutrons », caractérisée par une diminution lente plutôt qu’abrupte de la densité nucléaire à leur surface. La sensibilité de l’interaction spin-orbite vis-à-vis de la densité nucléaire est ainsi susceptible de modifier la structure de ces noyaux riches en neutrons, et donc leur durée de vie, leur masse ou encore la probabilité qu’ils interagissent avec leur environnement. Ces noyaux étant présents dans la croute d’étoiles à neutrons et impliqués dans certains processus stellaires explosifs, la dépendance en densité de l’interaction nucléaire forte doit logiquement influencer la taille des étoiles à neutrons et jouer un rôle déterminant pour la synthèse d’éléments lourds dans l’univers. Un des objectifs scientifique du projet GANIL-SPIRAL2***, dont la première phase sera inaugurée le 3 novembre 2016, vise justement à étudier l’évolution de la structure de noyaux atomiques lorsqu’ils sont enrichis en neutrons,

-       les  noyaux super-lourds, ayant un très grand nombre de protons et de neutrons, pourraient présenter une déplétion de densité de matière en leur centre du fait  de la forte répulsion électrique entre protons qui n’est plus que marginalement compensée par l’interaction nucléaire étant donné leur taille. Cet effet  devrait influencer la structure en couche de ces noyaux super-lourds, qui est déterminante dans la recherche d’un îlot de stabilité au-delà de Z=114. C’est là un des thèmes de recherche qui sera mené auprès  du « Super Séparateur Spectromètre » S3 qui sera mis en service auprès de GANIL-SPIRAL2 dans les prochaines années,

-       alors que la plupart des noyaux atomiques sont, du fait de leur grande densité centrale, très difficile à comprimer, on peut se demander si un noyau bulle ne peut pas présenter un mode de compression tout à fait inédit, qu’il doit être possible de caractériser au moyen de collisions nucléaires,

-       enfin, juste avant qu’un noyau lourd ne fissionne, il se forme un creux entre les deux futurs fragments de fission. On peut donc s’attendre à ce que la fission s’accompagne d’une modification significative de la composante spin-orbite de la force nucléaire et qu’elle influence la probabilité de produire tel fragment plutôt qu’un autre.

 

Figure 2 : Carte des noyaux connus, représentés en fonction de leur nombre de neutrons (abscisse) et de protons (ordonnée). Elle compte près de 3150 noyaux différents, parmi lesquels seulement ~290 noyaux stables (en noir). Près de 5000 noyaux, la plus grande partie très riches en neutrons sont encore à découvrir, jusqu’aux limites d’existence de la matière nucléaire. Certains appartiennent à la catégorie des noyaux « super-lourds » tout en haut de la carte. Parmi les noyaux radioactifs étudiés en laboratoire, certains comme les noyaux à halo, le lithium-11 en particulier, ou bien encore le silicium-34, présentent des caractéristiques inédites qui permettent d’interroger l’interaction nucléaire forte agissant au cœur du noyau atomique.

 

 

Contacts :

Olivier Sorlin -  sorlin@ganil.fr 

Référence :

* A. Mutschler, A. Lemasson, O. Sorlin et al., « A proton density bubble in the doubly-magic 34Si nucleus », Nature Physics (2016)

** http://www.ganil-spiral2.eu/science/actualites/un-modele-de-noyau-a-lepreuve-des-bulles

*** http://www.ganil-spiral2.eu/spiral2

 



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