Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Les mysteres cachés sous les noyaux exotiques

Dans les noyaux atomiques, les interactions entre nucléons sont à l’origine de la « structure nucléaire » et de phénomènes qui dépendent, en partie, de l’asymétrie des nombres de protons et de neutrons. La structure nucléaire, telle qu’on la connait de nos jours, a été établie principalement par l’étude des noyaux stables. Les noyaux « exotiques » différents des noyaux stables par leur asymétrie neutron-proton et/ou leur faible énergie de liaison, permettent donc de renouveler les conditions d’étude. De façon analogue à la physique atomique, les nucléons (protons ou neutrons) dans le noyau occupent des orbitales ordonnées. Cet agencement des orbitales n’est pas universel pour tous les noyaux. On a déjà observé des différences entre noyaux stables et exotiques, qui traduisent des corrélations différentes entre les nucléons. Ces différences sont exacerbées à l’approche des driplines, la limite d’existence des noyaux pour des asymétries proton/neutron très inhabituelles: c’est le cas des peaux et halos de neutrons avec des corrélations dites « di-neutrons ».

Les noyaux exotiques soulèvent des questions fondamentales:

• peut-on aboutir à une description universelle de la structure nucléaire ?
• Quelle est l’origine de l’évolution de la structure en couches de noyaux ?
• Comment les corrélations dites « di-neutrons » apparaissent dans les noyaux Borroméens ?
• Quel est le rôle de la structure sous-jacente des nucléons en structure nucléaire ?

Campagnes de données 2014/2015 de l'expérience franco-japonaise

Une équipe de l’Irfu composée de techniciens, ingénieurs et chercheurs des SACM, SEDI, SIS et SPhN a bâti le programme MINOS visant à répondre à ces questions. Un programme de physique a été établi en collaboration avec le RIKEN Nishina Center. Aujourd’hui RIKEN avec le RIBF (Radioactive Isotope Beam Factory) est l’accélérateur le plus performant mondialement pour produire des noyaux riches en neutrons à des énergies intermédiaires de plusieurs centaines de MeV.

Les premières questions de physique auxquelles la collaboration s’est attaquée sont

•  les mécanismes d’évolution des couches nucléaires pour les noyaux riches en neutrons (campagnes expérimentales en mai 2014 et mai 2015),
• l’origine des corrélations dites di-neutron dans les noyaux à halos 11Li, ¹⁴Be et ¹⁷B (décembre 2014)
• et le rôle des interactions à trois corps sur la structure nucléaire pour les noyaux d’oxygène, plus particulièrement le noyau non lié ²⁸O (Novembre 2015).

Minos, un instrument dédié à la spectroscopie des noyaux instables

MINOS est un nouvel instrument composé d’une cible d’hydrogène liquide très épaisse refroidie à 20 K et d’une chambre à projection temporelle cylindrique entourant la cible [2]. Le système est hébergé par le RIKEN Nishina Center. Une vue schématique de MINOS est présentée ci contre  où la cible a une épaisseur de 150 mm. Alors que la section efficace de réaction nucléaire typique est de 1 barn (10^-24 cm²), l’épaisseur de la cible de MINOS (6. 10²³ atomes d’hydrogène par cm²) correspond environ au libre parcours moyen d’un noyau du faisceau, impliquant que chaque particule du faisceau a une très grande probabilité d’induire une réaction nucléaire avec un noyau de la cible. La cible a l’avantage de présenter une géométrie « ouverte », libre de tout matériau absorbant sur un très grand angle solide et peut être ainsi entouré efficacement de systèmes de détection. Une telle cible ne pourrait généralement pas être utilisée telle quelle dans des expériences de physique nucléaire car trop épaisse, à la fois en terme de perte d’énergie dans la cible et d’extension spatiale. C’est pour cela qu’une chambre à projection temporelle basée sur la technologie Micromegas a été développée à l’Irfu. L’objectif de la TPC est de détecter des protons issus de réactions nucléaires d’éjection de protons dites (p,2p) qui ont lieu dans la cible et de déterminer l’endroit précis de la réaction grâce à la détection de la trajectoire de ces protons.

La résolution spatiale obtenue par MINOS est de 4-5 mm (largeur à mi-hauteur) pour une efficacité meilleure que 90%. Les données de MINOS sont lues par une électronique dédiée basée sur la puce AGET. Le système a entièrement été développé à l’Irfu. Il est opérationnel au Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF) de RIKEN, Japon, depuis 2014.

Les nombres magiques du modèle en couche remis en question

La collaboration SEASTAR (Shell Evolution And Search for Two-plus energies At the RIBF) dont l’Irfu et le RIKEN Nishina Center sont porte-parole vise à effectuer la première spectroscopie gamma des noyaux les plus exotiques atteignables aujourd’hui, en se basant sur l’exploitation de MINOS couplé au détecteur de photons DALI2 au RIBF. La collaboration regroupe plus de 100 collaborateurs dans le monde. Le programme de SEASTAR avec MINOS est illustré sur la figure ci-contre. Le premier résultat obtenu avec MINOS vient d’être publié dans Physical Review Letters [2]. Il concerne la spectroscopie des ⁶⁶Cr, ^70,72Fe. L’expérience a montré que les isotopes de Cr et Fe riches en neutrons présentent des premiers niveaux excités très bas en énergie dont l’énergie d’excitation varie peu d’un isotope à l’autre. Ce plateau est interprété dans le modèle en couches comme un effet combiné de la déformation et des corrélations d’appariement. Il soulève la question de la robustesse du nombre magique nucléaire N=50 pour les isotopes de Cr et Fe, dans la région de ⁷⁸Ni, noyau attendu doublement magique par le modèle en couches.