La forme du noyau comme reflet de l’interaction entre ses composants

Une expérience menée au GANIL (Grand accélérateur national d’ions lourds) a mis en évidence la forme sphérique du Krypton-96, remarquable en comparaison de la forme très allongée du Rubidium-97, qui compte seulement un proton de plus. Ce changement de forme radical et soudain donne aux physiciens de précieux indices sur l’organisation et la force de liaison entre les neutrons et protons qui constituent le noyau.

Les noyaux atomiques sont des objets quantiques contenant un nombre fini de protons (Z) et de neutrons (N). La forme du noyau reflète l’organisation interne de ses nucléons et évolue en général graduellement en fonction du nombre de protons et de neutrons. En de rares occasions, cette forme change brusquement si le noyau contient un nucléon de plus ou de moins. C’est une de ces rares transitions abruptes de formes qui a été identifiée entre le noyau de Rubidium-97 (37 protons, 60 neutrons), qui présente une forme très allongée, et le noyau de Krypton-96 (36 protons, 60 neutrons), dont la répartition sphérique des nucléons a été déduite lors de cette expérience. L’étude de ces exceptions est essentielle pour déterminer les caractéristiques spécifiques de la force nucléaire qui assure la cohésion du noyau. Cette transition de forme, actuellement inexpliquée par les modèles théoriques modernes, aidera les physiciens à identifier les composantes clés de la force nucléaire.

C’est l’association de deux spectromètres à la pointe de la technologie (photo ci-contre), AGATA (Advanced GAmma-ray Tracking Array) et VAMOS (VAriable MOde magnetic Spectrometer), au Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL) situé à Caen (France), qui a permis d’obtenir ce résultat en sondant la structure intrinsèque de noyaux qui n’existent pas à l’état naturel sur Terre.

Ces noyaux « exotiques », de courte durée de vie, difficiles à atteindre, ont été créés simultanément parmi des centaines d’autres dans la fission nucléaire induite par un faisceau d’ions lourd d’Uranium-238. Le spectre caractéristique de rayonnements gamma du Krypton-96 (l’énergie des photons qu’il émet en se désexcitant) a permis de déduire la forme sphérique de ce noyau (voir figure ci-dessous).

Spectres caractéristiques d’émission de photons pour l’atome d’Azote (N), la molécule de di-azote (N₂) et les noyaux de ¹⁰²Mo, ¹⁰⁰Zr, ⁹⁸Sr, ⁹⁶Kr. Par opposition à l’atome d’azote, le spectre de la molécule de di-azote (N₂) dans le domaine des micro-ondes présente une régularité caractéristique d’un mode de rotation de la molécule. Les spectres d’émission gamma mesurés par AGATA pour les noyaux de  ¹⁰²Mo, ¹⁰⁰Zr, ⁹⁸Sr présente une régularité similaire qui reflète une grande déformation de ces noyaux. L’absence de régularité dans le spectre de ⁹⁶Kr mesurée dans cette expérience met évidence une transition soudaine de la structure du noyau atomique dans cette région et suggère que le ⁹⁶Kr a une forme sphérique.

Ce résultat a été obtenu lors d’une expérience menée par une collaboration internationale de chercheurs français de l’IPNL, du GANIL et de l’IPHC en collaboration avec les chercheurs des laboratoires français (CSNSM, IPN, LPSC, IRFU), allemands, espagnols, italiens, hongrois, sud-africains et suisses. Ce travail de recherche fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.