Nouvelle scientifique

 

Le 9 janvier 2018

 

 

Etudier le noyau atomique du cuivre, pour mieux comprendre le nickel

 

Deux nouvelles études menées par des équipes internationales où sont impliqués l’Institut de physique nucléaire d'Orsay (IPNO, CNRS/Université Paris-Sud), le Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (CSNSM, CNRS/Université Paris-Sud) et l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC, CNRS/Université de Strasbourg), indiquent que le nickel-78 est probablement un noyau doublement magique. Cette découverte éclaire notre connaissance de la structure de ce noyau très riche en neutrons intervenant notamment dans la nucléosynthèse stellaire.

 

Les noyaux doublement magiques¹ ont une stabilité accrue grâce aux couches énergétiques remplies. Ces noyaux particuliers sont des points de repère dans le modèle en couches de la structure nucléaire. Parmi eux, le nickel-78 est l'un des plus riches en neutrons connu à ce jour. Mais compte tenu de sa richesse en neutrons (50 par rapport aux 28 protons), les physiciens s'attendaient à ce que sa structure diffère de celle de ses cousins eux aussi magiques mais proche de la stabilité (le nickel stable le plus proche contient entre 14 et 20 neutrons de moins).

 

Etats excités du ⁷⁹Cu © DR

 

Cette différence soulève une des plus grandes questions de la physique nucléaire aujourd’hui : les propriétés des noyaux magiques s’appliquent-elles à des noyaux aussi exotiques ? Une interrogation d’autant plus légitime, puisqu’il a été montré que pour certains noyaux plus légers, comme le magnesium-32 (12 protons et 20 neutrons) ou encore le silicium-42 (14 protons et 28 neutrons), les nombres magiques de neutrons ne permettent pas de préserver leurs formes sphériques.

 

Une étude indirecte du nickel-78 via le cuivre-79, avec un proton de plus

Pour répondre à cette question, deux approches, remarquables pour leur complémentarité, ont été utilisées : une avec les ions ralentis et l’autre avec un faisceau relativiste.

Une équipe internationale à laquelle participe le CSNSM a mesuré avec une très grande précision la masse du noyau du cuivre-79, avec le spectromètre Isoltrap installé au Cern. Tandis qu’une autre équipe internationale dont l’IPNO fait partie a réalisé le premier spectre d’excitation du cuivre-79 à l’aide d’une réaction knock-out avec protons au RIKEN, au Japon.

 

À gauche : masses comparées des différents isotopes du nickel et du cuivre. À droite : schéma de remplissage des couches énergétiques selon le modèle PFSDG-U © DR

 

Afin d’interpréter les résultats de ces deux mesures, des calculs théoriques ont été développés à la fois en France à Strasbourg et à l’Université de Tokyo. Une collaboration entre l’IPHC et l’université de Madrid a permis de révéler la structure "duale" du nickel-78 comme à la fois doublement magique mais avec des modes d’excitations faciles (proches en énergie). L’étude théorique menée par l'université de Tokyo s’est appuyée sur le modèle en couches "Monte-Carlo" effectué sur le super-ordinateur K² au RIKEN. Il ressort de cette étude que le noyau du 79-Cu peut être interprété d'une façon simple comme un seul proton de valence autour d'un cœur bien doublement magique de nickel-78 – en accord avec les résultats obtenus à Strasbourg.

Même si le nickel-78 n’est pas tout à fait sphérique, comme les autres noyaux doublement magiques, sa déformation reste très faible. Il semblerait que l’interaction tensorielle, qui dicte le comportement des noyaux plus légers, cède à l’interaction spin-orbite³ pour les noyaux de masse intermédiaire.

Ces deux méthodes d’études indirectes fournissent des indices que le nickel-78 garderait ses propriétés de noyau doublement magique. Ce résultat renforce notre connaissance des noyaux riches en neutrons situés sur les chemins des processus de nucléosynthèse stellaire.

 

Notes

• 1) Dans les années 1940, les physiciens et les physiciennes nucléaires constatent que les noyaux ayant un nombre de protons ou de neutrons égal à 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126 ont une énergie de liaison plus grande que celle de leurs voisins les plus proches. Autrement dit, ils sont beaucoup plus stables que tous les autres. De tels noyaux ont alors été appelés "noyau magique". Mais lorsque les nombres de neutrons et de protons correspondent aux chiffres cités plus haut, le noyau est dit "doublement magique" et sa stabilité est accrue.
• 2) Le K computer produit par Fujitsu au RIKEN, est un puissant superordinateur pouvant atteindre 10,51 pétaFLOPS.
• 3) L'interaction spin-orbite, qualifie toute interaction entre le spin d'une particule et son mouvement. En physique nucléaire elle est responsable des grandes caractéristiques du modèle en couches, en particulier les nombres magiques.

 

Contacts chercheurs

• Serge Franchoo de l'IPNO
• David Lunney du CSNSM
• Frédéric Nowacki de l'IPHC

 

Pour en savoir plus

• L’article de la spectroscopie à RIKEN avec l’IPNO (en anglais)
• L’article de la collaboration ISOLTRAP avec le CSNSM et l’IPHC (en anglais)