La première cartographie isotopique du « γ-bump » lève un mystère de la fission nucléaire

Quarante ans après sa découverte, un phénomène énigmatique observé lors de la fission nucléaire livre enfin une partie de ses secrets. Une collaboration internationale impliquant, entre autres, des scientifiques de l’IPHC, de GANIL, d’IJCLab, de l’IP2I et de l’IFJ PAN de Cracovie vient de réaliser la première cartographie isotopique du « γ-bump », un excès de rayonnement gamma émis par les fragments de fission. Publiés dans Physics Letters B, ces résultats apportent un nouvel éclairage sur la dynamique de la fission nucléaire et suggèrent un lien inattendu avec une excitation très particulière du noyau atomique : la résonance dipolaire « pygmée ».

Lorsqu'un noyau lourd se scinde en deux fragments, ceux-ci sont produits dans des états excités. Ils retournent à leur état d’équilibre en émettant des neutrons et des rayons gamma. Dès les années 1980, les physiciens avaient mis en évidence un excès de photons gamma d'énergie comprise entre 3 et 8 MeV par rapport aux prédictions des modèles de désexcitation. Baptisé « γ-bump », ce surplus de rayonnement résistait depuis à toute interprétation satisfaisante, faute de mesures suffisamment précises permettant d'en identifier les noyaux émetteurs.

Pour lever cette ambiguïté, les autrices et auteurs de l’étude ont combiné les performances de VAMOS++, un spectromètre magnétique de dernière génération, avec la boule de scintillateurs de nouvelle génération PARIS lors d'une expérience menée au GANIL. Cette instrumentation a permis d'identifier simultanément les fragments de fission selon leur nombre de protons et de neutrons tout en mesurant les rayonnements gamma qu'ils émettent. Les scientifiques ont ainsi réalisé, pour la première fois, une cartographie isotopique complète du γ-bump en fonction des caractéristiques des noyaux produits par la fission.

Cette cartographie révèle que le phénomène n'apparaît pas de manière uniforme dans l'ensemble des fragments de fission. Au contraire, il se concentre dans une région bien délimitée de la carte des noyaux, mettant en évidence une dépendance subtile, mais marquée à la dynamique de la fission, d’une part, et à la structure nucléaire des isotopes considérés, d’autre part. En confrontant ces nouvelles données à des calculs intégrant des densités de niveaux nucléaires et des fonctions de force gamma prédites par des théories microscopiques avancées, les chercheurs montrent que le γ-bump est compatible avec l'excitation d’une résonance baptisée « pygmée » dont la nature est au centre de nombreux débats depuis les années 2000. Il pourrait en effet s’agir d’une oscillation collective d'une faible fraction des neutrons du noyau par rapport à un « cœur » formé par le reste des nucléons, ce qui constitue l'une des manifestations les plus subtiles de la structure nucléaire. Les résultats suggèrent que cette oscillation pourrait se manifester naturellement dans les fragments au moment de la fission, avant qu’ils ne se désexcitent.

Au-delà de la résolution progressive d'une énigme vieille de plusieurs décennies, cette découverte ouvre une nouvelle voie pour l'étude des excitations collectives des noyaux. La fission pourrait ainsi devenir une sonde originale de la résonance pygmée, complémentaire des méthodes expérimentales traditionnellement employées. Les résultats devraient également contribuer à améliorer les modèles de fission, utilisés aussi bien pour la compréhension fondamentale des réactions nucléaires que pour les applications reposant sur les données nucléaires.