Le rôle de la quasi-fission dans la synthèse des nouveaux éléments super-lourds

09 février 2018

Physique nucléaire

Au cours d’une expérience réalisée auprès de l’accélérateur de l’Australian National University (ANU Canberra, Australie), une collaboration franco-australienne impliquant le GANIL Grand accélérateur national d'ions lourds (GANIL, CNRS/CEA) , l'IPNO Institut de physique nucléaire d'Orsay (IPNO, CNRS/Université Paris-Sud), l'IRFU/DPhN et l'ANU a pour la première fois identifié en numéro atomique Z jusqu’au plutonium (Z=94), et en masse A les fragments créés dans des réactions de quasi-fission Fission : division d'un noyau atomique lourd, généralement en deux parties, dites fragments de fission, avec libération d'énergie et émission de neutrons. La quasi-fission produit des fragments dont une partie ressemble à des fragments de fission. Cependant ces fragments sont produits directement par échanges de nucléons entre les noyaux projectile et cible au cours de l’interaction (contrairement aux fragments de fission qui proviennent d’un noyau unique résultant ici de la fusion nucléaire).. Ces résultats ont donné lieu à une publication dans la revue Physical Review Letters

La quasi-fission, au cours de laquelle les noyaux projectile et cible échangent des nucléons avant de se séparer dans un temps de l’ordre de la zeptoseconde (10^-21s), est le mécanisme dominant dans les interactions entre noyaux lourds. Ce mécanisme, identifié dans les années 70, demeure le moins bien maîtrisé des mécanismes d’interaction entre ions lourds en dépit du rôle qu’il joue pour inhiber la synthèse des éléments très lourds. Il est en effet en forte compétition avec le mécanisme de fusion utilisé pour synthétiser de nouveaux éléments super-lourds (Z>104), des éléments qui ne peuvent exister que si des effets microscopiques d’origine quantique suffisamment intenses les stabilisent. L’élément le plus lourd synthétisé à ce jour est l'Oganesson (Z=118), mais les théories récentes de physique nucléaire prédisent que toute une région d’éléments, s’étendant probablement bien au-delà de Z=118, devrait être stabilisée grâce à ces effets microscopiques.

Les derniers éléments synthétisés ont exigé des expériences de plus en plus coûteuses, utilisant des mois entiers de faisceaux très intenses fournis par différents accélérateurs d’ions lourds en Russie ou au Japon. La synthèse d’éléments super lourds n’est considérée comme accomplie que lorsque (statistiquement) quelques exemplaires des noyaux composés formés survivent à la fission et peuvent être identifiés dans le système de détection approprié. Pour dépasser la limite de Z=118, il sera donc nécessaire d’optimiser les expériences quant à la nature des noyaux entrant en collision et à l’énergie incidente afin de maximiser aussi bien la section efficace Section efficace : la probabilité d’interaction ou de production. de fusion que la probabilité de survie à la fission des noyaux composés super-lourds ainsi formés. Malheureusement, les caractéristiques très similaires d’une partie des fragments de quasi-fission et des fragments de fission suivant fusion ne permettent pas de mesurer de façon fiable les sections efficaces de fusion et celles de quasi-fission. Dans ce contexte, une modélisation réaliste du processus de quasi-fission est indispensable afin d’atteindre des prédictions fiables quant aux sections efficaces de fusion.

Dans cette étude, les réactions de quasi-fission ont été induites lors de collisions entre des ions projectiles de ⁴⁸Ti , accélérés à 276 MeV, et des atomes cibles de ²³⁸U. Les numéros atomiques ont été déduits des émissions caractéristiques de rayons X de fluorescence et les masses des corrélations angulaires et des vitesses des fragments émergents. Les données collectées mettent en évidence des effets de couches qui intensifient la production de noyaux autour du nombre magique Nombre magique : nombre de protons ou de neutrons donnant aux noyaux une stabilité particulièrement grande. Les nombres magiques observés, reproduits par le modèle en couches du noyau atomique, sont de 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126; ils sont identiques pour les neutrons et les protons, à l’exception peut-être de 126 protons qui correspond à un élément non encore synthétisé. Z=82 (Plomb) dans les réactions de quasi-fission. Ces résultats vont permettre d’optimiser les expériences visant à créer des éléments toujours plus lourds par fusion Fusion : union de plusieurs noyaux atomiques en un seul noyau composé., et ouvrent des perspectives grâce à cette approche expérimentale originale dans le domaine de la fission et de la fusion nucléaires

Cette carte présente la distribution des événements en fonction du rapport des masses R et l’énergie des photons (rayons X ou γ) Ephotons, où R=A2/(A1+A2), A1 et A2 sont les masses des fragments de quasi-fission. L’échelle de couleur associée au nombre d’événements collectés (la fréquence d’apparition) est montrée sur la droite. Les masses A1 et A2 ont été déterminées à partir des temps de vol des fragments jusqu’aux détecteurs. Les nombres de coups particulièrement intenses au voisinage de R = 0.20 et 0.83 correspondent à des interactions très courtes en temps au cours desquelles le projectile et la cible ont conservé leurs masses respectives, Aprojectile = 48 et Acible = 238. L’énergie des photons permet d’attribuer un numéro atomique lorsqu’elle correspond à une énergie d’émission de rayons X de fluorescence caractéristique d’un l’élément (quelques énergies caractéristiques sont indiquées par des lignes pointillées sur la figure). Les énergies caractéristiques correspondant au plus léger des deux fragments de quasi-fission se trouvent sous le seuil de détection et seul le Z du partenaire le plus lourd peut être identifié sur cette carte grâce à l’accumulation d’événements au voisinage des énergies caractéristiques.

Grâce aux données collectées par l’expérience franco-australienne, de nouvelles informations sont maintenant disponibles sur le mécanisme de quasi-fission. Dans cette expérience, un maximum de la production de fragments de quasi-fission a été observé pour le nombre magique de protons Z=82, alors que de nombreux travaux expérimentaux et théoriques précédents suggéraient que c’était le nombre magique de neutrons N=126 qui jouait un rôle déterminant. Pour différents nombre de nucléons échangés (bilan global des nombres de neutrons et de protons échangés entre le projectile et la cible), les contributions respectives des nombres de neutrons et de protons échangés ont été déterminées. L’expérience montre que le nombre de nucléons échangés est fortement corrélé avec l’angle auquel les fragments se séparent. Cet angle de séparation, quant à lui, est corrélé à des temps d’interaction entre les noyaux (typiquement de l’ordre de quelques 10^-22 secondes) et donne ainsi accès à la vitesse à laquelle les neutrons et les protons sont échangés (en moyenne) depuis les premiers instants de la réaction. Des calculs fondés sur l’approche microscopique théorique la plus performante dans ce domaine (l’approche dite Time Dependent Hartree-Fock, TDHF) surestiment l’échange des protons et sous-estiment celui de neutrons, mais prédisent bien les temps moyens d’interaction ainsi que le rôle déterminant du nombre magique Z=82. L’étude des échanges de nucléons, pour différents systèmes des noyaux entrant en collision, va permettre un ajustement fin dans ce modèle des paramètres gouvernant les échanges de nucléons.

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