Spectroscopie de désintégration des noyaux lourds et superlourds

La recherche de nouvelles fermetures de couche au-delà du 208Pb, où se situerait ce qu’on appelle « l’île de stabilité des noyaux superlourds », reste l’un des principaux défis de la physique nucléaire. Cet article résume les progrès réalisés pour les nucléides les plus lourds, de 𝑍 = 99 (einsteinium) à 𝑍 = 118 (oganesson), et comprend une revue de la littérature ainsi qu’un tableau complet répertoriant les principales propriétés de chaque isotope et état isomérique connu. Une installation susceptible d’étendre considérablement cette recherche est le « super spectromètre séparateur » S³.

Au fil des décennies, une collection importante de données a été accumulée et régulièrement résumée dans des articles de synthèse consacrés aux différents aspects de la recherche sur les noyaux superlourds. La figure 1, extrait de la partie supérieure droite du tableau des nucléides, le tableau de Segré, illustre les modes de désintégration des noyaux les plus lourds. Cette revue présente un résumé des résultats récents obtenus grâce à la spectroscopie de désintégration après séparation (decay spectroscopy after separation – DSAS ; voir la figure 2 pour les principes de base de la méthode) des noyaux superlourds pour l’ensemble des 204 noyaux connus des 20 éléments les plus lourds. Les demi-vies et les années de découverte de ces isotopes sont indiquées dans la figure 3, sur arrière-plan des énergies de correction de couche calculées par Robert Smolanczuk et Adam Sobiczewski (PRC 52 (1995) 1871).

Figure 1: Isotopes et leur modes de décroissance (rouge: b^–/capture électronique (EC), blue: b⁺, jaune: a, vert: fission spontanée (SF)) du einsteinium au darmstadtium.

Pour étudier la structure fondamentale de ces espèces lourdes, qui ont jusqu’à présent été produites presque exclusivement par des réactions de fusion-évaporation, la DSAS s’est révélée être une méthode puissante. Les principaux composants impliqués sont un faisceau à haute intensité, un système avancé de cibles et un séparateur efficace équipé d’un système complet de détection des particules et des photons. La technique de détection permet d’établir des corrélations de position et/ou de temps entre le noyau de recul et sa désintégration successive, grâce à la détection des particules et des photons impliqués.

Figure 2 : DSAS et corrélations génétiques : le noyau de recul est implanté dans un détecteur sensible à la position. Il se désintègre ensuite par émission α en un noyau fils, qui se désintègre à son tour en un noyau petit-fils. Outre les produits de réaction séparés, leur rayonnement de désintégration, c’est-à-dire les particules α, les rayons γ et les rayons X, ainsi que les électrons de conversion (CE), sont détectés en coïncidence.

Le contexte scientifique est abordé dans cette revue à travers divers aspects de la structure nucléaire étudiés expérimentalement, tels que les niveaux à une particule, la déformation nucléaire, les écarts en énergie entre les couches et l’isomérie nucléaire, ainsi que la compétition entre modes de désintégration. En ce qui concerne la théorie, deux exemples de progrès récents et leur impact sur d’éventuels efforts expérimentaux futurs sont mis en avant : i) les premiers calculs du modèle des couches pour un noyau superlourd, réalisés par Dao et Nowacki (arXiv:2409.08210), qui reproduisent la structure nucléaire des niveaux de basse énergie avec une concordance étonnante par rapport aux résultats expérimentaux pour le 254No, laissent entrevoir une compréhension potentiellement plus approfondie de ces espèces lourdes ; ii) Ravlić et Nazarewicz (PRC 111 (2025) L051305) ont récemment calculé les probabilités de désintégration β des noyaux les plus lourds, suggérant que ce mode de désintégration est très compétitif jusqu’aux isotopes du flerovium, alors que les preuves expérimentales manquent au-delà du dubnium (voir Fig. 1). La mise en évidence de la désintégration bêta dans la région allant du dubnium à l’oganesson pourrait modifier considérablement le paysage de désintégration de cette partie du tableau des nucléides, ce qui fait des prévisions de ce modèle une invitation claire à mener des expériences dans cette direction. Le nouveau dispositif S³ du GANIL, actuellement en cours d’installation, constituera un cadre idéal pour relever ce défi.

Le corps principal de cet article reporte des nouveaux résultats expérimentaux, isotope par isotope, de l’einsteinium à l’oganesson. Les principales propriétés de tous les isotopes de cette région sont résumées dans un tableau complet, qui répertorie toutes les publications relatives aux travaux expérimentaux concernés, dans le but de fournir une base de données exhaustive pouvant servir de référence pour les futurs travaux expérimentaux.

Figure 3 : Énergies de correction de couche (nuances de bleu) en fonction du nombre de protons et de neutrons. Les couleurs allant du jaune au rouge foncé/noir représentent les demi-vies expérimentales (panneau supérieur) et les années de découverte (panneau inférieur) pour les noyaux les plus lourds, de l’einsteinium à l’oganesson. Les couches fermées prédites sont indiquées par des lignes pleines. Les écarts en énergie entre les couches pour les noyaux déformés stables sont indiquées par des lignes pointillées.

Au fil des années et des décennies, la recherche sur les éléments superlourds (superheavy elements – SHE) et l’étude des propriétés des noyaux superlourds (superheavy nuclei – SHN) ont toujours atteint un stade où les progrès semblaient marquer le pas. Une avancée technologique et le perfectionnement des outils expérimentaux, notamment l’introduction d’accélérateurs, de techniques de détection et de méthodes de séparation efficaces, ont souvent entraîné un bond en avant considérable dans les progrès expérimentaux, élargissant ainsi notre compréhension des noyaux les plus lourds.

En ce qui concerne les principaux outils de travail, les accélérateurs, les installations de nouvelle génération produisant des faisceaux stables à haute intensité sont déjà opérationnels ou le seront bientôt, comme la « SHE Factory » du FLNR JINR (Dubna, Russie) équipée du nouveau séparateur à gaz DGFRS2-2, l’accélérateur linéaire RILAC dont les performances en termes d’intensité de faisceau ont été améliorées au RIKEN (Tokyo, Japon), ou encore le projet HELIAC de GSI/FAIR (Allemagne), qui en est encore à ses débuts, les premiers composants étant en cours de test.

La prochaine installation appelée à relever activement le défi de la recherche sur la SHN est le LINAC de SPIRAL2 au GANIL. Le potentiel complet de cette installation sera disponible dès la mise en service du nouvel injecteur NEWGAIN. Dans sa configuration finale, elle offrira les intensités les plus élevées pour tous les ions. Associée à S³, elle constituera l’une des installations les plus compétitives au monde pour l’étude des SHN et la recherche sur les SHE. Combinée à l’installation complète de séparation et de détection S³, équipée du réseau de détection pour « Spectroscopy and Identification of Rare Isotopes Using S³» (SIRIUS), ainsi qu’à la « Low Energy Branch » (S³-LEB) offrant des outils pour l’étude des propriétés atomiques et nucléaires fondamentales, elle sera prête à faire passer la recherche sur les SHE/SHN au niveau supérieur.

En conclusion, forte d’une expérience de plus d’un siècle et alors que de nouvelles installations entrent en service ces jours-ci à travers le monde, la recherche sur les SHE/SHN est sur le point de franchir une nouvelle étape majeure dans le domaine expérimental, avec la possibilité de contribuer de manière significative à la compréhension fondamentale de la matière nucléaire.

Contact : Dieter Ackermann

L’article de revue est publié dans Progr. Part. Nucl. Phys. 147 (2026) 104215; https://doi.org/10.1016/j.ppnp.2025.104215