Une mesure très précise de l'énergie de symétrie d'isotopes de nickel fait progresser les modèles du noyau
Dans deux études publiées dans les revues Physics Letters B et Physical Review C, la collaboration internationale INDRA-FAZIA annonce avoir établi de nouvelles contraintes sur une propriété dénommée « énergie de symétrie », qui est reliée à l’affaiblissement de l’énergie de liaison des noyaux ayant un trop grand déséquilibre entre leur nombre de neutrons et de protons. En mesurant avec une précision inégalée les transferts de nucléons ayant lieu lors des collisions entre isotopes du nickel au GANIL, la collaboration est ainsi parvenue à affiner des modèles décrivant le comportement de la matière nucléaire dans des conditions extrêmes, modèles qui permettront un jour de mieux comprendre certains phénomènes astrophysiques violents.
Comprendre comment se comporte la matière nucléaire lorsqu’elle est poussée dans des conditions extrêmes de densité ou de température est l’un des grands défis contemporains de la physique. Les noyaux d’atomes sont des systèmes quantiques complexes, composés de protons et de neutrons. A des densités ou des températures faramineuses, comme dans les étoiles à neutrons ou lors d’explosions stellaires, la dynamique de leurs constituants se complique ultérieurement et s’éloigne de celle les caractérisant dans des conditions plus ordinaires. Pour mieux comprendre cette dynamique très méconnue, des expériences sont réalisées au GANIL grâce aux collisions d’ions lourds et génèrent pendant des temps très courts des gouttelettes de matière nucléaire ayant des propriétés qui se rapprochent à ce que l’on pourrait trouver par exemple à l’intérieur d’une étoile à neutron ou lors de la fusion de deux étoiles à neutrons.
Une expérience récente menée auprès du duo de détecteurs de particules INDRA-FAZIA vient d’apporter un nouvel éclairage sur les mécanismes à l’œuvre : l’équipe internationale de scientifiques est parvenue à mieux contraindre la manière dont l’énergie liée au déséquilibre entre protons et neutrons dans le noyau, connue sous le nom d’énergie de symétrie, varie selon la densité des nucléons.
La matière nucléaire est plus stable lorsque le nombre de protons et de neutrons est le même (matière symétrique). En revanche, s’éloigner de cet équilibre entre protons et neutrons entraîne un coût énergétique qui correspond à l’énergie de symétrie. En effet, dans le cadre de l’équation d’état de la matière nucléaire[1] et dans la limite d'une approximation parabolique de l’énergie de liaison avec l’asymétrie neutron-proton, l’énergie de symétrie peut être définie comme la différence d’énergie de la matière symétrique et d’une matière purement neutronique. Caractériser cette énergie est crucial dans le cadre de l’étude des étoiles à neutrons, qui comme leur nom l’indique, présentent un déséquilibre criant entre de très nombreux neutrons et de rares protons. Pour prédire correctement la structure des étoiles à neutrons et interpréter leurs propriétés et les signaux émis lors de la fusion de deux de ces étoiles, il faut donc connaître avec précision l’évolution de cette énergie de symétrie en fonction de la densité de la matière nucléaire. Encore aujourd’hui, de nombreuses incertitudes subsistent. Les expériences de physique nucléaire capables de sonder ce terme à des densités proches de celles d’intérêt astrophysique restent limitées, tandis que les observations astrophysiques fournissent des contraintes globales difficiles à relier directement aux différentes propriétés de la matière nucléaire et des noyaux et à utiliser pour contraindre l’interaction nucléaire. C’est dans ce contexte que l’expérience menée en 2019 auprès des détecteurs INDRA-FAZIA du GANIL apporte une avancée majeure.
Pour contraindre l’évolution de l’énergie de symétrie, les scientifiques ont choisi d’étudier des collisions entre deux isotopes stables du nickel : le 58Ni, l’isotope le plus commun du nickel ayant presque le même nombre de protons et neutrons, et le 64Ni, beaucoup plus rare et riche en neutrons. En faisant percuter ces noyaux dans deux configurations inversées (58Ni+64Ni et 64Ni+58Ni), puis en comparant les fragments émis, il devient possible de mesurer un facteur connu sous le nom de « diffusion d’isospin[2] », qui décrit la manière dont les neutrons et les protons se déplacent d’un noyau à l’autre durant la collision afin de rééquilibrer l’asymétrie initiale. C’est à partir de la mesure de la diffusion d’isospin que les scientifiques parviennent à déduire la dépendance en densité de l’énergie de symétrie.
Le duo de détecteurs INDRA-FAZIA est idéal pour cette tâche. INDRA, conçu dans les années 1990, offre une couverture angulaire exceptionnelle permettant de détecter la quasi-totalité des particules émises. FAZIA, en fonctionnement depuis 2015, fournit une résolution isotopique inégalée : sa structure en télescopes empilant plusieurs couches de détecteurs permet d’identifier précisément la masse et la charge des fragments lourds et ainsi leur contenu en protons et neutrons. La combinaison des données issues des deux détecteurs permet une reconstruction complète et fiable des événements.
Grâce à cette précision, les chercheurs ont pu mesurer directement le rapport neutron-proton résultant de chaque réaction asymétrique dans les quasiprojectiles, les fragments lourds de matière nucléaire issus de la collision. En parallèle, l’information fournie par INDRA sur la multiplicité des particules légères a permis d’obtenir une estimation expérimentale du paramètre d’impact – c’est-à-dire du degré de centralité de la collision – étape indispensable pour comparer les données à des modèles théoriques.
Le résultat est sans ambiguïté : plus les particules rentrent en collision frontalement, plus les quasi-projectiles issus des deux réactions asymétriques deviennent similaires, signe d’une rééquilibration progressive du nombre de protons et de neutrons dans les fragments. La mesure est à ce jour la plus précise jamais obtenue pour ce phénomène.
Une telle précision ouvre la voie à une comparaison fine avec des modèles théorique décrivant l’évolution du système pendant la collision. Des théoriciens du LPC Caen et du VECC (Inde) ont mobilisé un modèle théorique dénommé BUU@VECC-McGill, qui simule la dynamique de centaines de nucléons soumis à des interactions microscopiques, en intégrant différentes hypothèses pour l’énergie de symétrie. En comparant les données issues de l’expérience menée au GANIL à leur modèle, les scientifiques ont pu favoriser celle de leurs hypothèses qui prévoit une augmentation modérée de l’énergie de symétrie avec la densité de matière nucléaire. En d’autres termes, à densité plus élevée, avoir beaucoup plus de neutrons que de protons dans la matière nucléaire devient énergétiquement plus coûteux, comme attendu, mais cette augmentation est progressive, raisonnable, ni trop faible ni aussi violente que le prédisaient certains modèles alternatifs.
En resserrant les contraintes sur l’énergie de symétrie, l’expérience INDRA-FAZIA fournit des informations cruciales pour les modèles de matière dense utilisés en astrophysique. Ces résultats peuvent être intégrés directement dans des analyses statistiques poussées combinant données de laboratoire et observations d’ondes gravitationnelles – une approche de plus en plus répandue depuis la première détection d’une fusion d’étoiles à neutrons en 2017. Un moyen d’interpréter avec plus de justesse les données d’ondes gravitationnelles pour comprendre les mécanismes à l’œuvre dans les étoiles à neutron.