GT2 : Questionnement

Quelles sont les formes des noyaux et les symétries sous-jacentes aux frontières en spin et en masse ?

Ce thème est directement lié aux effets de couches qui peuvent apparaître dans le spectre des niveaux de particules individuelles protons ou neutrons, pour certaines combinaisons magiques de neutrons et de protons lorsque la densité de niveaux devient très faible. Les caractéristiques de la structure individuelle en couches à la surface de Fermi influencent également les propriétés collectives rotationnelles des noyaux, au travers de la cohérence quadripolaire, de la symétrie SU(3) et ses approximations associées. Les modèles théoriques incluant des degrés de liberté de déformation ont très rapidement suggéré que ces effets de couches pouvaient aussi apparaître pour certains noyaux ayant des formes exotiques comme la super-déformation (ellipsoïde allongé avec un rapport d’axes 2:1) ou l’hyper-déformation (ellipsoïde allongé avec un rapport d’axes 3:1), ainsi que pour certains noyaux très lourds de forme allongée ou triaxiale de la région Z=104-108. La stabilisation des noyaux très lourds et super lourds est aussi la conséquence des effets de couches. L’existence de ces formes nucléaires est reliée à la présence d’un minimum dans l’énergie potentielle du noyau, minimum d’autant plus prononcé que le moment angulaire du système est élevé.

En outre, les phases dites « pasta » dans les étoiles à neutrons constituent l’extrême de la déformation nucléaire, lorsque les noyaux de l’écorce sont tellement proches qu’ils se déforment pour donner naissance à des structures uniques : formes très allongées (gnocchi), formes planaires (lasagnes), formes effilées (spaghetti), ainsi que toutes les formes intermédiaires. La déformation dans les noyaux et dans les phases « pasta » ainsi que l’îlot de stabilité des noyaux super lourds résultent de la compétition les interactions nucléaire et Coulombienne. Dans l’espace des paramètres de déformation, ces systèmes possèdent une surface d’énergie très riche pouvant avoir plusieurs minimums en compétition. Ils sont donc aussi très sensibles aux corrélations nucléaires complexes. Ainsi, leur étude permet de contraindre de façon très précise l’interaction nucléaire ainsi que les corrélations entre nucléons dans le noyau. Du point de vue théorique, cette étude nécessite le développement de méthodes avancées, basées sur les brisures et restaurations de symétries, et du point de vue expérimental, elle requiert l’utilisation d’instruments souvent très complexes et coûteux, d’installations spécifiques mais aussi des temps de faisceaux très longs.

Qu’apprend-on des études de la coexistence de formes et de la super-déformation ?

Le noyau a une tendance naturelle à se déformer et cet effet purement fermionique fait intervenir des ingrédients, comme la déformation de la surface nucléaire, le moment angulaire, l’énergie d’excitation, ou encore la masse et l’asymétrie d’isospin, qui sont essentiels à la compréhension de l’organisation des nucléons dans le noyau et à la modélisation de l’interaction forte. La coexistence de différentes formes au sein d’un même noyau est un sujet de première importance pour mieux comprendre le développement de la tendance naturelle du noyau à se déformer sous l’action de l’évolution des fermetures des couches. Lorsqu’on s’éloigne de la stabilité, comme par exemple du côté des noyaux riches en neutrons, l’appariement devient très faible et le couplage avec le continuum doit être considéré. Quelle structure gouverne le comportement de ces noyaux ? Comment déterminer la balance entre l’affaiblissement de l’appariement et la persistance ou la disparition des couches fermées dans les noyaux exotiques riches en neutrons ? Il serait intéressant de voir comment les propriétés des structures collectives habituelles, comme les vibrations, rotations, et triaxialités, seraient modifiées par le couplage au continuum ou par les corrélations d’appariement dans ces noyaux exotiques. Où se situent ces noyaux par rapport aux limites du « triangle de Casten ». De ce point de vue les noyaux les plus intéressants commencent à peine à être accessibles dans les installations de faisceaux radioactifs. Différentes observables (vies moyennes, transitions E0, etc …) peuvent être mesurées par spectroscopie γ et/ou électron mais aussi par spectroscopie laser dans diverses réactions comme par exemple les réactions de transfert de nucléon, de fusion-fission, de fusion-évaporation ou de fragmentation.

L’hyper-déformation (HD) nucléaire existe-t-elle ?

Une des questions brûlantes qui reste entièrement ouverte concerne l’existence des noyaux hyper-déformés (HD) prédits par la théorie à très haut moment angulaire (J), où l’on atteint J = 80 hbar. Ce spin correspond à une probabilité de formation de plusieurs ordres de grandeur inférieure à celle d’un noyau super déformé, en particulier à cause de la probabilité de fission fortement augmentée. Ainsi les noyaux hyper-déformés sont le laboratoire ultime vis-à-vis de la rotation des systèmes nucléaires et ils pourraient même subsister aux limites du chaos : si on les compare aux faibles déformations, les états HD seraient noyés parmi une énorme quantité d’états (plus de 10¹⁰) ! A cette densité de niveaux, la désexcitation des états HD vers les états de déformation normale correspondrait à une transition de phase ordre-chaos-ordre. Cette recherche nécessite l’utilisation d’un spectromètre γ puissant tel AGATA (dans sa phase finale) mais aussi des faisceaux radioactifs riches en neutrons. Une réaction privilégiée pour cette étude est ²⁶Mg(⁹²Kr,6n)¹¹²Cd, car le noyau HD exotique formé pourrait être plus stable qu’avec un faisceau stable, grâce à une barrière de fission qui pourrait être plus élevée.

Quelle théorie/expérience pour la recherche des noyaux hyper-déformés (HD) ?

Le GT permettra une émulation entre expérimentateurs et théoriciens pour définir les expériences clefs, les sites appropriés à l’étude des noyaux HD, mais surtout pour aider à faire émerger une compréhension solide des structures HD en question. En effet, certains résultats expérimentaux ont montré qu’il pouvait y avoir plusieurs interprétations possibles aux mêmes données. A titre d’exemple, les structures générant des déformations peuvent être interprétées de façon microscopique par l’occupation des orbites de Nilson qui se réarrangent en fonction de la déformation alors que les approches algébriques mettent en exergue des symétries du groupe SU(3). Le lien entre ces approches théoriques est complexe mais pourrait trouver son unité à travers une approche basée sur le modèle en couches. Les questions liées à la modélisation théorique et à l’interprétation des données expérimentales sont donc cruciales. L’expérience acquise par les théoriciens dans la compréhension des noyaux HD peut en outre être utile pour comprendre les phases « pasta » des étoiles à neutrons.

Comment peut-on former de nouveaux noyaux super-lourds ? Quel est l’apport de la structure des noyaux très-lourds ?

La quête des noyaux super-lourds tente de répondre à un ensemble d’interrogations très fondamentales, comme la limite en masse de la carte des noyaux, ainsi que le rôle des effets de couches et de sous-couches à la stabilisation de structures nucléaires évanescentes. L’intérêt de l’étude des noyaux super-lourds repose sur la prédiction théorique de l’existence d’un îlot de stabilité, mais dont la position varie largement d’un modèle à l’autre : (Z=114, N=184) ou (Z=120, N=172), ou (Z=126, N=184). Ces noyaux doivent leur existence à de forts effets de couches qui sont capables de vaincre la fission induite par l’interaction Coulombienne. Ces éléments sont recherchés depuis longtemps dans les réactions de fusion et leurs propriétés (temps de vie, décroissance, fission) permettent de déduire des informations sur leur structure. Les sections efficaces de production d’éléments super-lourds sont très faibles : de l’ordre de quelques pico barn pour l’élément 114 par exemple. D’un point de vue expérimental, ces études requièrent donc des équipements spécifiques dédiant des temps de faisceau très longs. La rareté de la production des éléments super-lourds empêche en outre les études de spectroscopie γ.

L’étude des noyaux très-lourds déformés autour de Z=104-108 est très intéressante à plusieurs titres : les sections efficaces de production sont plus grandes, quelques nbarn voire μbarn, et ils permettent de sonder les orbites en provenance des gaps sphériques des noyaux super-lourds. C’est une alternative très prometteuse à la synthèse des éléments super-lourds ultimes (au delà de Z=118). La communauté française est déjà reconnue sur ce sujet. Elle dispose d’une visibilité internationale sur la majeure partie des installations à travers le monde où sont effectués les programmes scientifiques de spectroscopie et de synthèse des éléments super-lourds. Il existe en outre une complémentarité entre les différents sites de production de ces éléments super-lourds. Celle-ci est indispensable à la compréhension des mécanismes de réaction mis en jeu lors de la synthèse d’éléments super-lourds, à l’étude de la structure nucléaire des noyaux de masse extrême grâce notamment aux mesures de spectroscopie gamma/électrons de conversion interne, ainsi que alpha prompte et retardée, et finalement à la synthèse de nouveaux éléments qui nécessitent une connaissance complète de toute la chaine de décroissance. Ce GT sera le lieu pour débattre des meilleurs sites et outils pour la poursuite d’un programme ambitieux en France comme à l’étranger mais aussi pour débattre et définir les meilleurs outils théoriques permettant d’identifier les meilleurs candidats aux campagnes de mesures expérimentales.