Les vibrations comme fenêtre sur la forme et la structure nucléaires

Les noyaux atomiques peuvent vibrer de manière étonnamment ordonnée. Même lorsqu’ils sont complexes, les vibrations ont joué un rôle central dans la révélation des lois fondamentales de la nature, depuis le mouvement d’un pendule jusqu’aux vibrations des atomes dans un cristal, en passant par les ondes gravitationnelles. Un noyau, possédant à la fois un proton non-apparié et un neutron non-apparié – où le mouvement collectif ordonné est généralement masqué par le comportement chaotique des particules individuelles – a été caractérisé. Dans le cadre d’une collaboration internationale, des données issues de dispositifs de dernière génération (VAMOS++ couplé aux spectromètres AGATA et EXOGAM au GANIL), ainsi que du multidétecteur Gammasphere aux États-Unis, ont été combinées pour comprendre le comportement collectif du noyau riche en neutrons Nobium-104. Des signatures claires de vibrations simples et plus complexes ainsi que des indications que le noyau peut adopter plusieurs formes à des énergies presque identiques, ont été observées. Ce résultat montre que, même dans des systèmes nucléaires très compliqués, des mouvements étonnamment cohérents et bien organisés peuvent subsister, offrant de nouvelles perspectives sur le comportement de la matière à son niveau le plus fondamental et une meilleure compréhension des systèmes quantiques complexes.

Dans les noyaux atomiques, les nucléons (protons et neutrons, qui sont des fermions) sont liés entre eux par des forces fortes à une très petite échelle de longueur. Les nucléons peuvent se déplacer dans différentes orbitales (mouvement de particule individuelle) ou se mouvoir collectivement de manière corrélée. Dans le cas extrême de ce dernier, un noyau peut être traité comme un rotor rigide, par analogie avec les molécules. Les phonons vibrationnels nucléaires représentent le mouvement collectif des protons et des neutrons, et les vibrations peuvent prendre des formes encore plus exotiques, comme des vibrations de grande amplitude correspondant à des états de résonance dans le continuum ; certaines peuvent être visualisées comme des oscillations du fluide neutron contre le fluide proton, voire comme des modes de compression. Ces états vibrationnels nécessitent généralement une énergie d’excitation élevée du noyau.

Les vibrations nucléaires à basse énergie ont été décrites avec succès par Bohr et Mottelson il y a plus d’un demi-siècle, à l’aide d’un modèle collectif qui traite le noyau comme une goutte liquide quantique. Dans cette description, les vibrations de forme nucléaire sont caractérisées par des paramètres mesurant l’écart du noyau par rapport à une sphère, ainsi que son éventuelle symétrie autour d’un axe ou l’adoption d’une forme plus asymétrique, triaxiale, sans axe de symétrie (comme un ellipsoïde aplati). Parmi celles-ci, les vibrations quadrupolaires dans les noyaux déformés sont classées en vibrations β et γ. La vibration gamma (γ) peut être considérée comme une oscillation s’éloignant de la symétrie axiale tout en conservant globalement sa déformation.  

Les vibrations dans les noyaux diffèrent fondamentalement de celles des systèmes étendus comme les cristaux, dans lesquels les phonons sont presque des bosons parfaits : le système est harmonique, et de nombreux phonons peuvent occuper le même mode vibratoire sans restriction. En revanche, les noyaux sont composés de fermions. Les phonons nucléaires résultent de superpositions cohérentes d’excitations particule-trou et n’obéissent qu’approximativement à des statistiques bosoniques. Le principe de Pauli limite les excitations fermioniques pouvant participer de manière cohérente, restreignant ainsi le nombre d’excitations multi-phonons. De plus, les vibrations nucléaires sont anharmoniques, ce qui reflète le couplage fort entre le mouvement collectif et les degrés de liberté individuels des nucléons. Par conséquent, le nombre de phonons dans les noyaux, en particulier dans les systèmes nucléaires impair-impair (c’est-à-dire contenant à la fois un proton et un neutron non appariés), est limité.

Les expériences visant à étudier la structure des noyaux impair-impair sont beaucoup plus difficiles que pour les noyaux pair-pair. Dans ces systèmes, les états de basse énergie sont généralement dominés par des combinaisons complexes de mouvements individuels de particules. La présence de nombreux états excités rend donc extrêmement difficile l’identification de signatures vibratoires claires à partir de leurs propriétés. Cela les rend particulièrement précieux : lorsqu’ils sont observés, ils fournissent des tests rigoureux des modèles de structure nucléaire et des informations sur la compétition entre mouvement collectif et comportement individuel des particules. Jusqu’à présent, aucune preuve de vibrations dans un noyau triaxial n’a été trouvée dans les noyaux impair-impair.

Le noyau étudié, le noyau riche en neutrons ¹⁰⁴Nb (il est à noter que ⁹³Nb est le seul isotope stable existant sur Terre), a été produit lors d’une réaction de fission nucléaire générant un grand nombre de fragments dans divers états quantiques excités discrets. Identifier les états excités d’un seul noyau revient à chercher une aiguille dans une botte de foin. Cette mesure difficile n’a été possible que grâce à la combinaison de deux techniques complémentaires de spectroscopie gamma à la pointe de la technologie, permettant d’étudier les états excités via leur décroissance gamma. Le spectromètre magnétique VAMOS++ (avec résolution isotopique), couplé au multidétecteur g AGATA (lorsqu’il était au GANIL), ainsi qu’au détecteurs EXOGAM, a permis d’identifier les états excités des fragments de fission produits par la réaction d’un faisceau de ²³⁸U sur une cible de ⁹Be. Le multidétecteur Gammasphere (lorsqu’il était au LBL, aux États-Unis) a été utilisé indépendamment pour obtenir des mesures de coïncidences γ de haut ordre à partir d’une source de ²⁵²Cf. L’identification isotopique et les nouveaux états observés dans ¹⁰⁴Nb au GANIL ont ensuite été utilisés pour générer des événements de coïncidence γ de haut ordre, issus de la fission spontanée d’une source de ²⁵²Cf placée au centre du dispositif Gammasphere, afin de construire une structure complète des niveaux excités. Cet effort conjoint montre également comment les collaborations internationales et l’utilisation de données ouvertes permettent de résoudre des problèmes autrement inaccessibles. Dans le noyau riche en neutrons ¹⁰⁴Nb, des bandes d’états excités correspondant à des vibrations γ à un et deux phonons ont été identifiées à l’aide de relations théoriques connues, impliquant les énergies et les intensités des transitions électromagnétiques. Les mesures de corrélations angulaires ont permis de déterminer les spins et les parités des états observés.

Les propriétés des bandes observées — comme leurs moments d’inertie similaires, leurs caractéristiques magnétiques et les transitions fortes les reliant — montrent qu’elles partagent une origine vibratoire commune. Ces résultats expérimentaux ont également été bien reproduits par des calculs théoriques avancés du modèle en couches prenant en compte des formes nucléaires triaxiales. De plus, la mesure d’une durée de vie atypique suggère la coexistence de différentes formes nucléaires, notamment une configuration oblate à longue durée de vie, au sein d’un même noyau. Ces formes multiples illustrent le phénomène de coexistence de formes, observé dans de nombreux autres noyaux, correspondant à différentes configurations des nucléons. Leur coexistence indique une quasi-dégénérescence de différents minima d’énergie dans le potentiel nucléaire. En d’autres termes, le noyau peut « choisir » plusieurs formes à des énergies presque identiques.

Ce travail démontre que le mouvement vibratoire collectif peut rester étonnamment robuste même en présence de protons et de neutrons non appariés, et que plusieurs formes nucléaires peuvent coexister dans un même système. La découverte d’autres exemples de vibrations multi-phonons dans des noyaux impair-impair permettra d’approfondir notre compréhension de l’influence des nucléons individuels sur le mouvement collectif, selon les orbitales qu’ils occupent. Au-delà de la physique nucléaire, ces résultats pourraient contribuer à une meilleure compréhension des vibrations dans les systèmes quantiques complexes dans divers domaines de la physique.

Ces résultats ont été récemment publiés dans E. Wang et al., Phys. Rev. Lett. 136, 072501 (2026).

Contact: Navin Alahari