Des physiciens du GANIL montrent que le noyau non lié de Fluor-28 présente une structure dense et composée d’états de symétrie de parités différentes.

L’étude récente, menée par des physiciens du GANIL et du LPC Caen au sein de la collaboration Samurai de l’installation RIKEN au Japon, montre que le noyau non lié de Fluor-28 présente une structure dense et composée d’états de symétrie de parités différentes. Ceci suggère que le noyau voisin d’Oxygène-28 ne serait pas doublement magique, contrairement à ce qui était attendu. Ce travail vient d’être publié dans la revue Physical Review Letters*.

La notion de nombre magique est très importante en physique nucléaire. Elle exprime le fait que, pour certains noyaux, l’écart en énergie entre les orbitales occupées par ses constituants (les protons et les neutrons) et les orbitales de valence (non occupées) est très grand. Lorsque cet écart est très grand à la fois pour les protons et les neutrons, le noyau est qualifié de « doublement magique ». La magicité des noyaux leur confère une résistance particulière vis-à-vis de tout type d’excitation (rotation, vibration, température). Ceci implique que ces noyaux, pour certains essentiels à la vie comme les noyaux stables d’oxygène-16 (8 protons et 8 neutrons) ou le calcium-40 (20 protons et 20 neutrons), sont plus abondants que les autres dans la nature. Cette propriété remarquable en fait des objets d’étude privilégiés pour mettre à l’épreuve la modélisation des forces qui structurent le noyau atomique.

Les noyaux doublement magiques sont cependant très rares : on n’en compte qu’une douzaine parmi les 300 noyaux stables qui existent dans la nature, et une dizaine seulement ont été observés parmi les quelques 3000 noyaux loin de la stabilité produits à ce jour en laboratoire. La (double) magicité de certains, comme l’oxygène-28 qui compte 8 protons et 20 neutrons, est encore incertaine et motive nombre de travaux. Son étude expérimentale est cependant un véritable défi du fait qu’il est non lié et décroit spontanément en émettant 4 neutrons en un temps d’environ 10^-22 sec ! Non content de le produire très rarement lors de collisions nucléaires, il faudrait encore détecter les 4 neutrons qu’il émet instantanément pour pouvoir comparer ses propriétés aux prédictions des modèles théoriques.

Une méthode alternative a récemment été mise en œuvre auprès du laboratoire RIKEN à l’aide des détecteurs neutrons NeuLAND et Nebula et du spectromètre SAMURAI. Elle a consisté à étudier un noyau également non lié, le fluor-28, composé de 9 protons et de 19 neutrons : moins difficile à produire que l’oxygène-28 et se désintégrant par l’émission d’un seul neutron. Dans l’hypothèse où ce dernier serait doublement magique, alors le Fluor-28 devrait pouvoir être simplement être décrit comme ayant un proton supplémentaire dans la première orbitale de valence accessible, et un neutron de moins dans la dernière orbitale occupée. Son spectre d’énergie d’excitation ne devrait comprendre, à basse énergie, que des états de parité positive (celle des états occupés), c’est-à-dire symétriques par inversion des coordonnées de nucléons dans l’espace.

L’étude a montré que ce n’est pas le cas, les neutrons du Fluor-28 occupant au contraire une large fraction de l’orbitale de valence, et présentant un état fondamental de parité négative.  Il présente ainsi une structure dense alliant l’occupation d’orbitales intruses normalement inoccupées et de faibles vestiges de magicité. Cette étude montre pour la première fois que la double magicité, si robuste pour les noyaux stables, disparait vraisemblablement dans l’oxygène-28 du fait de son caractère non lié et des forces nucléaires en présences dans ce noyau à très grand nombre de neutrons.

Référence : A. Revel et al., Physical Review Letters 124, 152502 (2020)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.152502

ou

https://arxiv.org/pdf/2004.00942.pdf

Contacts : Olivier Sorlin, GANIL – olivier.sorlin@ganil.fr

Miguel Marqués, LPC Caen – marques@lpccaen.in2p3.fr