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Nouveau succès du « simple » modèle en couches nucléaires : Découverte d’états correspondant à la brisure de trois paires de nucléons situés sur une même orbite

Des physiciens de l’IN2P3/CNRS et de l’Irfu/CEA ont découvert, dans des isotopes d’étain, des états correspondant à la brisure de trois paires de neutrons situés sur la même orbite. De tels états –dits de séniorité 6–étaient prédits par le modèle en couches dans les noyaux sphériques, mais n’avaient jamais été mis en évidence expérimentalement jusqu’à présent.
Cette découverte fait l’objet d’un article accepté dans la revue Physical Review C.

Après plus d’un siècle jalonné par d’immenses découvertes en physique nucléaire, l’interaction nucléon-nucléon, responsable de la cohésion des noyaux, demeure toutefois inconnue analytiquement. Les théories reposent ainsi sur des modèles, l’un des plus utilisés en structure nucléaire étant le modèle en couches. L’identification d’états excités du noyau résultant de l’occupation d’une même orbite j par n nucléons identiques en est une application immédiate.
Une configuration jn donne naissance à des états de divers moments angulaires, dont les énergies relatives dépendent de l’interaction résiduelle entre les nucléons de l’orbite j. L’état le plus bas en énergie est celui dans lequel tous les nucléons sont appariés deux à deux [1]. Par ailleurs, la valeur maximum du moment angulaire associé à une orbite j est obtenue lorsque celle-ci est à moitie occupée et que tous les sous-états magnétiques de valeurs positives sont occupés (toutes les paires de nucléons sont donc brisées). L’état correspondant est situé à plus haute énergie que l’état totalement apparié, son observation est importante car son énergie d’excitation permet de sonder finement certains termes de l’interaction résiduelle nucléon-nucléon.

La chaine isotopique des étains (Z=50) constitue un laboratoire idéal pour la recherche de tels états, puisque, pour un nombre de neutrons compris entre 64 et 82, l’orbite de neutron de grand moment angulaire, h11/2, est active, permettant d’obtenir un état de séniorité 6 (trois paires de neutrons brisées [2]).
Dans notre expérience, les noyaux d’étain ont été produits comme fragments de fission dans deux réactions de fusion-fission : 12C+238U à 90 MeV d’énergie de bombardement (à Legnaro), et 18O+208Pb à 85 MeV (à Strasbourg). Les raies gamma émises lors de la désexcitation des états de haut moment angulaire de 119-126Sn ainsi obtenus ont été détectées par le multidétecteur Euroball. Grâce aux coïncidences temporelles entre les raies gamma émises par les fragments complémentaires (les noyaux d’étains sont associés à des noyaux de cadmium dans la première réaction et de zirconium dans le seconde), des nouvelles cascades de raies gamma ont été attribuées aux divers isotopes d’étain et placées au-dessus d’états isomériques de longues durées de vie déjà connus, caractérisant ainsi de nouveaux états excités de 119-126Sn, avec des énergies d’excitation comprises entre 3 et 7 MeV et des moments angulaires de 9 à 20 ħ. De plus dans chaque isotope pair 120-126Sn, un nouvel état isomérique (T1/2=40-300 ns) a peu être établi à partir des coïncidences retardées entre le détecteur de fragment de fission SAPhIR et Euroball.

Tous les résultats obtenus permettent d’affirmer que l’orbite νh11/2 est bien responsable de la structure à haut moment angulaire de ces noyaux d’étain, plusieurs paires de neutrons devant être brisées pour produire les moments angulaires des états situés au-dessus de 3 MeV d’énergie d’excitation. La valeur maximum de moment angulaire possible dans cette orbite (18 ħ), qui s’obtient pour sa mi-occupation et la brisure de 3 paires, a été observée dans plusieurs des isotopes étudiés. C’est la première fois qu’un tel état de séniorité 6 est observé expérimentalement. Des calculs de modèle en couches avec mélange de configurations, également réalisés dans ce travail, sont en parfait accord avec les résultats expérimentaux.

Pour en savoir plus

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[1] Si le sous-état magnétique +m est occupé par un nucléon, le sous-état -m est lui aussi occupé, ainsi le moment angulaire total de chaque paire est nul.

[2] L’orbite h11/2 contient au maximum 6 paires de nucléons.