Le GANIL a produit depuis 1983 une moisson de résultats scientifiques et il a été le siège de quelques découvertes marquantes. En voici quelques exemples, représentatifs des principales thématiques couvertes par l'équipe de physiciens du GANIL :

Le silicium-34 : un « noyau bulle » atypique !

Une équipe menée par des physiciens du GANIL a prouvé en 2016 le caractère très singulier de cet isotope radioactif du silicium. Alors que dans leur très grande majorité les noyaux atomiques se caractérisent par une densité homogène, le silicium-34 s’apparente à un « noyau bulle », avec une densité de protons anormalement faible en son centre. Cette anomalie en fait un candidat idéal pour sonder l’une des composantes de la force nucléaire forte, essentielle à la structuration en couches des nucléons dans le noyau.

 

Profils de la densité en protons calculés pour le silicium-34 (en haut) et pour le souffre-36 (en bas). Le premier présente une diminution de la densité de près de 40 % au centre, comme si une bulle s'y était formée, alors que pour le second et tous les autres noyaux connus, la densité est maximale au centre du noyau.

 

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

Une expérience menée au GANIL en 2016 à l’aide du multi-détecteur AGATA et du spectromètre VAMOS 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.

 

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. Contrairement 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 au GANIL par le multi-détecteur AGATA pour les noyaux de  102Mo, 100Zr et 98Sr présentent une régularité similaire qui reflète une grande déformation de ces noyaux. An contraire, 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.

  

Fluorescence X de l’élément super-lourd Z=120

Le rayonnement X de fluorescence entre les deux couches électroniques les plus profondes de l’élément de Z = 120 (rayonnement XK d’énergie caractéristique de l’élément) a été observé au GANIL en 2012 en coïncidence avec des fragments de fission issus de réactions de fusion entre des ions d’uranium-238 et des  atomes d’une cible de nickel-64. Ce résultat confirme que le noyau de Z=120, déjà identifié au GANIL en 2008 grâce à une approche expérimentale totalement différente, résiste à la fission suffisamment longtemps pour que ses couches électroniques les plus internes soient à l’équilibre, formant ainsi un atome ionisé. La possibilité d’appliquer cette technique de fluorescence X jusqu’à des noyaux de Z = 128 (un domaine de noyaux inaccessible par les autres approches expérimentales généralement utilisées) ouvre la voie à la caractérisation des éventuels îlots de stabilité des éléments super-lourds.

L'Hydrogène-7, le noyau le plus exotique jamais observé

Pour la première fois en 2007, une équipe de recherche européenne a observé au GANIL des atomes d'hydrogène-7. Ce noyau est remarquable par son déséquilibre extrême entre nombre de protons (1 seul) et de neutrons (6).Sachant que l'équilibre entre le nombre de neutrons et de protons a un rôle essentiel dans la cohésion du noyau et son existence même, cette découverte est un pas essentiel dans la compréhension des forces nucléaires en jeu. Avec six fois plus de neutrons que de protons, l'Hydrogène-7 reste le noyau le plus exotique jamais observé à ce jour ! 

La radioactivité 2 protons

Lors d'une expérience menée au GANIL en 2006, les chercheurs ont découvert une caractéristique remarquable du noyau exotique de fer-45 : composé de 26 protons et 19 neutrons, son fort déficit en neutrons le rend très instable. Pour se rapprocher de la stabilité, ce noyau va donc se débarrasser de 2 protons, le transformant ainsi en chrome-43. Ce mode de radioactivité est très rare : on ne connaît aujourd'hui que 3 noyaux décroissant de cette manière. En effet, sur les 3 100 noyaux radioactifs connus à ce jour, la grande majorité adopte un mode de décroissance plus classique : alpha, bêta, bêta, ou encore la fission. La singularité de la radioactivité  2 protons permet notamment d'étudier un phénomène purement quantique : le franchissement par les protons de la barrière coulombienne et centrifuge qui empêche normalement les protons de s'échapper du noyau.

 

Vue d'artiste de l'émission simultanée de deux protons
par un noyau d'atome