Des vibrations collectives des neutrons et protons observées dans le niobium-104
Pour la première fois, des vibrations nucléaires collectives ont été observées dans un noyau atomique contenant un nombre impair de protons et de neutrons. Cette découverte, réalisée grâce aux collaborations internationales VAMOS++ et AGATA au GANIL, ainsi qu’au réseau de détecteurs Gammasphere aux États-Unis, éclaire d’un jour nouveau la structure des noyaux atomiques et améliore notre connaissance des vibrations et des mouvements collectifs dans les systèmes quantiques complexes. Les résultats, obtenus pour des isotopes de niobium-104, un noyau riche en neutrons, démontrent la robustesse inattendue des mouvements collectifs, même en présence de particules non appariées.
Parmi les phénomènes les plus intrigants qui régissent la physique du noyau atomique figurent les vibrations nucléaires, soit des mouvements collectifs des protons et des neutrons qui le constituent, semblables à des vibrations dans un réseau cristallin, appelées phonons. Ces vibrations sont des clefs vers une meilleure compréhension de la structure interne des noyaux et de la manière dont leurs constituants interagissent. L’observation de telles vibrations dans un noyau de niobium-104 par une collaboration internationale de physiciennes et physiciens apporte un nouvel éclairage sur le phénomène.
Pour comprendre pourquoi, il faut examiner de plus près les mécanismes à l’œuvre dans le noyau. Les nucléons (protons et neutrons) y sont agencés dans des couches superposées, comme dans un oignon. Leurs configurations complexes entraînent des états d’excitation enchevêtrés, pouvant concerner des nucléons isolés, des paires, plusieurs particules corrélées ou le noyau dans son intégralité. Or, il était admis que les mouvements vibrationnels collectifs – concernant un nombre important de nucléons du noyau – étaient entravés lorsque le noyau présentait un nombre impair de protons et de neutrons, et donc des particules non appariées (isolées).
Le niobium-104 est de ces noyaux présentant des particules non appariées. Son nombre impair à la fois de protons et de neutrons implique qu’au moins un neutron et un proton sont isolés, ce qui en fait un candidat idéal pour étudier l’enchevêtrement de ces états vibrationnels. L’équipe du GANIL, auprès à l’aide des spectromètres VAMOS++ et AGATA, est parvenue à produire ce noyau à partir de réactions de fission nucléaire, en bombardant une cible de béryllium-9 avec un faisceau d’uranium-238, puis a combiné ces données avec celles obtenues auprès du détecteur Gammasphere à l’aide d’une source de californium. Parmi la multitude de fragments générés, isoler et étudier les états excités du niobium-104 revenait à chercher une aiguille dans une botte de foin. Mais grâce à une combinaison de techniques spectroscopiques de pointe, les scientifiques ont pu isoler les noyaux impairs-impairs, puis identifier les différents états vibratoires le caractérisant à partir de la mesure de l’énergie et de l’intensité de transitions électromagnétiques.
Résultat : les vibrations observées correspondent bien à des oscillations collectives et ces dernières semblent être à l’origine d’une déformation du noyau. Ces mesures ont été confirmées par des calculs théoriques avancés prenant en compte la forme triaxiale du noyau : des mouvements collectifs se manifestent bien dans le noyau et lui font adopter une forme asymétrique, semblable à un ballon de rugby légèrement déformé. La durée de vie inhabituellement courte de ce phénomène suggère une coexistence de plusieurs oscillations au sein du même noyau — un phénomène connu sous le nom de "coexistence de formes".
Ces résultats, montrant pour la première fois que de telles vibrations peuvent se manifester même en présence de nucléons non appariés, ouvrent de nouvelles perspectives pour l’étude des noyaux instables et pour la compréhension des mécanismes complexes qui génèrent des corrélations et des vibrations collectives dans les systèmes quantiques complexes.