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La balance de l’étain

La complexité du noyau atomique reflète les multiples composantes de la « force nucléaire » qui lie entre eux les protons et les neutrons. Isoler et caractériser chacune d’entre elles est un véritable défi, tant théorique qu’expérimental, que tentent de relever les études de physique nucléaire. Les isotopes d’étain (noyaux possédant Z=50 protons et un nombre de neutrons N dépendant de l’isotope) servent de référence pour caractériser la compétition entre deux de ces composantes : un terme d’interaction dit d’appariement marquant la tendance qu’ont les protons et neutrons à s’associer par paires et un terme d’interaction dit quadrupolaire caractérisant la tendance naturelle du noyau à se déformer. Aussi distincts soient-ils, ces deux termes d’interaction nucléaire concourent pourtant au même objectif qui est d’organiser de manière optimale les nucléons composant le noyau atomique de manière à minimiser son énergie. Les analyses menées jusqu’ici mettent en évidence une transition entre ces deux composantes à l’approche de l’étain-100, contraignant la modélisation de ce noyau dit « doublement magique ». Avec un nombre identique de protons et de neutrons (Z=N=50), le 100Sn joue un rôle essentiel dans la validation des modèles théoriques décrivant les propriétés des noyaux exotiques.

Au sein de la Collaboration internationale AGATA, une équipe de physiciens, menée par le Laboratoire National de Legnaro (Italie) et dans laquelle les chercheurs du Département de Physique Nucléaire de l’IRFU à Saclay et du GANIL sont fortement impliqués, a montré dans une expérience réalisée au GANIL que l’équilibre entre les deux contributions était plus complexe qu’envisagé jusqu’ici. C’est une mesure ultra-précise du temps de vie des premiers états excités de l’étain-108 (N=58) qui a permis de le mettre en évidence, grâce à la combinaison du multi-détecteur AGATA [1] et du spectromètre VAMOS [2].  Alors que le premier état excité est dominé par la contribution quadrupolaire, le second état situé à juste au-dessus du premier résulte d’un équilibre inattendu entre les termes d’appariement et quadrupolaire. Ce résultat remet en cause les descriptions théoriques précédemment publiées autour de l’étain-100 (Z=50, N=50), isotope essentiel à la compréhension des noyaux exotiques et qui sera étudié en détail auprès du spectromètre S3 dans le futur au GANIL. Cette étude, pour laquelle Marco Siciliano a remporté le prix de la meilleure thèse GANIL en 2019, vient d’être publiée dans la revue Physical Letter B [3].

 

Figure 1 : Illustration de l’équilibre des interactions quadrupolaire (plateau de gauche) et d’appariement (plateau de droite) qui peuvent s’exercer entre un proton et un neutron. Sur le schéma de niveaux de l’étain-108, le niveau 0+ correspond à l’état au repos du noyau, appelé état fondamental. Les niveaux 2+ et 4+ correspondent aux premier et deuxième état excité du noyau. Si l’état 2+ est dominé par l’interaction quadrupolaire, la description de l’état 4+ s’avère plus équilibrée qu’escompté.

Depuis un peu plus de 10 ans, la chaine isotopique des étains était l’exemple le plus caractéristique d’une dominance de l’appariement (« pairing » en anglais) nucléon-nucléon comme mécanisme gouvernant la structure nucléaire en fonction du nombre de neutron. Autour des isotopes stables (nombre de neutrons N entre 62 et 74), l’observation d’une valeur quasi constante de l’énergie d’excitation du premier état excité (2+) des isotopes d’étain et de la probabilité de transition vers l’état fondamental en sont les signatures expérimentales (Fig. 2).

 

Figure 2 : Probabilité de transition depuis le premier état excité 2+ vers l’état fondamental, B(E2 ; 2+->0+), en fonction du nombre de neutrons composant le noyau des isotopes d’étain.

 

A mesure que des neutrons sont enlevés aux isotopes stables de l’étain, en se rapprochant du noyau doublement magique 100Sn (N=Z=50), la probabilité de transition du premier état excité vers l’état fondamental change de tendance (la parabole noire attendue sur la figure 2) et prend une valeur constante indépendamment du nombre de neutrons. Ce changement de tendance a été expliqué théoriquement par la domination de l’interaction quadrupolaire sur celle de l’appariement à partir du nombre de neutron N=64 (cf Fig. 2). L’étude du second état excité (4+) était restée jusqu’à aujourd’hui limitée. La raison vient de la présence de niveaux isomèriques[i] à plus haute énergie qui rend la mesure de son temps de vie, d’où est extraite la probabilité de transition, impossible. Pour contourner ces « pièges » que sont les isomères, une nouvelle approche a été utilisée dans cette expérience. Alors que les noyaux pauvres en neutrons sont préférentiellement créés par la fusion de deux noyaux légers, dans cette expérience, les isotopes de 106,108Sn (Z=50, N=56,58) ont été produits par la collision d’un noyau lourd de 106Cd (Z=48, N=58) accéléré par les cyclotrons du GANIL et d’un noyau lourd cible de 92Mo (Z=42, N=50). Lors de la collision, deux protons ont été « capturés » par les noyaux projectiles au dépend des noyaux cibles pour former les isotopes de Sn (Z=50). Ce mécanisme permet d’éviter le peuplement de ces fameux isomères et permet d’étudier directement la désexcitation des niveaux 2+ et 4+. Les noyaux de Sn produits par la réaction sont ensuite identifiés dans le spectromètre VAMOS. Les photons, issus de la désexcitation des états 2+ et 4+ (du 106Sn et 108Sn) et permettant la mesure du temps de vie des états excités, sont quant à eux mesurés simultanément à l’aide du spectromètre AGATA.

Figure 3 : Probabilité de transition depuis le deuxième état excité 4+ vers le premier état excité 2+, B(E2 ; 4+->2+), en fonction du nombre de neutrons composant le noyau de Sn. Les mesures du temps de vie de l’état 4+ dans le 106Sn et 108Sn ont permis d’extraire les deux probabilités de transition représentées en rouge. Ces probabilités de transition ont été comparées à des calculs théoriques représentés par les pentagones vides noirs.

La mesure ultra-précise du temps de vie du second état excité (4+) de 108Sn a été comparée à des calculs théoriques (cf Fig. 3). Alors que le premier état excité (2+, cf Fig. 2) souligne la contribution de l’interaction quadrupolaire utilisée jusqu’à aujourd’hui pour décrire les isotopes au plus près de l’100Sn, le second état met en lumière pour la première fois un équilibre avec l’appariement nucléon-nucléon dont la contribution doit être prise en compte. Ce résultat remet en cause les ingrédients utilisés jusqu’alors dans les calculs théoriques pour décrire la structure nucléaire autour de 100Sn et ouvre de nouvelles perspectives dans cette région de masse qui va attirer tous les regards dans le futur au GANIL au travers du projet S3.

Références:

[1] https://www.agata.org/

[2]https://www.ganil-spiral2.eu/scientists/ganil-spiral-2-facilities/experimental-areas/g1-vamos/

[2] M.Siciliano et al, Physics Letters B 806 (2020) 135474

https://doi.org/10.1016/j.physletb.2020.135474

 

Contacts:

Marco Siciliano (marco.siciliano@cea.fr)

Magda Zielinska (magda.zielinska@cea.fr)

Emmanuel Clément, GANIL (emmanuel.clement@ganil.fr)

 

[i] Un isomère est un état excité au temps de vie particulièrement long. En physique nucléaire, les temps de vie des états excités varient entre 1 femto-seconde (10-15 sec.) et 1 nano-seconde (10-9 sec.).  Un isomère est un état avec un temps de vie particulièrement long à cette échelle depuis la micro-seconde (10-6 sec) jusqu’à la seconde. Cette singularité est liée à la nature fondamentalement différente entre deux états.