Des noyaux légers révèlent leur sous-structure en particules alpha
Depuis quelques années, des travaux théoriques prédisaient la désintégration simultanée des noyaux légers comme l'oxygène en particules alpha lorsqu'ils sont fortement excités. En étudiant les débris de projectiles de calcium produits lors de collisions d'ions lourds, les physiciens de la collaboration Chimera ont pour la première fois confirmé expérimentalement cette prédiction. Ces résultats ont fait l'objet d'une publication dans la revue Physics Letters B.
La formation de grappes de matière, que l'on appelle le "clustering", est un phénomène qui peut apparaître dans la matière homogène lorsque celle-ci subit une diminution de densité. Les noyaux lourds, excités et dilués sous l'effet de la pression thermique, se désintègrent en noyaux plus légers. La formation des galaxies est un exemple à très grande échelle de ce phénomène extrême qui se produit dans la nature.
La désintégration spontanée par émission de particules alpha à partir des noyaux lourds dont la masse atomique est supérieure à environ 200, ce que l'on appelle la radioactivité alpha, fut la première manifestation de la force nucléaire forte. Cependant, dès 1929, le physicien et chimiste Ernest Rutherford a suggéré que les noyaux atomiques légers comme l'oxygène étaient constitués d'un amas de particules alpha. James Chadwick, disciple de Rutherford, a même envisagé que ces noyaux pouvaient se désintégrer de manière simultanée en particules alpha. Il aura fallu attendre presque un siècle (les années 2013-2014) pour voir apparaître des calculs prédisant cette désintégration à partir de noyaux légers excités lors de collisions.
1192 modules de détection pour une précision extrême
Les physiciens de la collaboration Chimera ont expérimenté ces prédictions auprès du cyclotron supraconducteur installé à Catane en Italie en pulvérisant des noyaux de calcium (40Ca), accélérés à une vitesse équivalente à 20 % de celle de la lumière, sur une cible de carbone. Ils ont ensuite découvert, parmi les débris, des noyaux d'oxygène (16O), de néon (20Ne) et de magnésium (24Mg) suffisamment excités et dilués pour se désintégrer sous forme de particules alpha, signant le phénomène de "clustering".
Le succès de cette expérience a été rendu possible par l'utilisation du multi-détecteur à très haute granularité Chimera, composé de 1192 modules de détection. C'est grâce à la grande précision de ce dispositif que les chercheurs ont pu reconstruire les débris et étudier leurs propriétés de désexcitation, mettant ainsi en évidence le processus prédit par la théorie. La collaboration Chimera est actuellement composée d'une vingtaine de chercheurs travaillant en France, Italie et Roumanie.
Laboratoires français impliqués dans la collaboration Chimera :
- Institut de physique nucléaire d'Orsay (IPNO, CNRS/Université Paris-Sud)
- Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL, CNRS/Université Claude Bernard)
- Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (LPC Caen, CNRS/EnsiCaen/Université Caen Basse-Normandie)
- Grand accélérateur national d’ions lourds (Ganil, CNRS/CEA)
Références
B. Borderie et al. : "Probing clustering in excited alpha-conjugate nuclei", Physics Letters B 755, p. 475-480 (2016). Disponible en version intégrale en anglais sur http://www.sciencedirect.com/science/article.
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