Les détecteurs NEBULA et NEULAND (premier plan) captent les neutrons issus de la décroissance de noyaux instables comme le Fluor-28 pour en étudier la structure interne. / Image : collaboration SAMURAI

L’oxygène-28 n’aurait pas la stabilité que la théorie lui prédit

Résultats scientifiques Physique nucléaire

Avec 8 protons et 20 neutrons, l’oxygène-28, devrait théoriquement avoir une stabilité particulière. Une équipe de physiciens du GANIL et du LPC Caen au sein de la collaboration SAMURAI du centre de recherche RIKEN au Japon montrent que ce n’est pas le cas en menant une étude indirecte sur un noyau très proche, le fluor-28. Un travail qui vient d’être publié dans la revue Physical Review Letters.

En physique nucléaire la notion de nombre magique est très importante. En effet les noyaux dits « magiques » ont une quantité particulière de protons et de neutrons qui leur confère une stabilité plus grande. C’est le cas pour les noyaux à 8, 20 ou 50 protons ou ceux avec un nombre équivalent de neutrons. Les noyaux dits « doublements magiques », ceux qui cumulent un nombre magique de protons et un nombre magique de neutrons, figurent parmi les plus stables de la nature. C’est le cas de l’oxygène-16 (8 protons et 8 neutrons) ou du calcium-40 (20 protons et 20 neutrons), qui sont plus abondants que les autres dans l’univers. Cette propriété remarquable en fait des objets d’étude privilégiés pour mettre à l’épreuve la modélisation des forces qui structurent le noyau atomique.

Un noyau quasi impossible à étudier

L’oxygène-28 est le dernier noyau doublement magique à ne pas avoir été étudié. Avec ses 8 protons et ses 20 neutrons il devrait en théorie bénéficier d’une stabilité particulière, mais trente ans de traque n’ont permis d’en produire que très peu et son analyse expérimentale s’avère un véritable défi. En effet, l’oxygène-28 n’existe que sous forme non liée et qui plus est dans les très rares cas où des collisions le produisent, il se désintègre en oxygène-24 quasi instantanément. Les physiciens ne disposent que de 10-22 secondes pour réagir ! Et quand bien même les chercheurs capteraient l’événement à temps, il faudrait encore détecter les 4 neutrons que le noyau émet instantanément pour pouvoir comparer ses propriétés aux prédictions des modèles théoriques.

Le fluor-28 pour contourner la difficulté

Pour contourner cette difficulté, une méthode alternative a récemment été mise en œuvre auprès du laboratoire RIKEN à l’aide des détecteurs neutrons NEULAND et NEBULA et du spectromètre SAMURAI. Elle a consisté à étudier un noyau également non lié, le fluor-28, composé de 9 protons et de 19 neutrons : moins difficile à produire que l’oxygène-28 et se désintégrant par l’émission d’un seul neutron. Le pari des chercheurs est que, si l’oxygène-28 est bien doublement magique, ses propriétés devraient se retrouver à quelques nuances près dans le noyau de fluor-28.

Détecteurs de neutrons NEULAND et NEBULA
Les deux murs de plastiques scintillants NEBULA et NEULAND captent le neutron issu de la décroissance en vol du fluor-28 en fluor-27. Les informations concernant les états du fluor sont déduites du temps de vol et de la position des neutrons dans les détecteurs. Le fluor-27 est ensuite défléchi par l'aimant supraconducteur SAMURAI (au fond à droite sur l'image) pour être identifié à son plan focal

La double-magicité a disparu

Une signature de la magicité est le remplissage complet par les nucléons des orbitales de plus basse énergie disponibles. Or l’étude a montré que les neutrons du fluor-28 occupaient une large fraction de l’orbitale de valence et que ne subsistait que de faibles vestiges de magicité. Dès lors, cette étude montre pour la première fois que la double magicité, si robuste pour les noyaux stables, disparait vraisemblablement dans l’oxygène-28 du fait de son caractère non lié et des forces nucléaires en présence dans ce noyau à très grand nombre de neutrons. Elle plaide pour la prise en compte et la recherche de nouveaux effets susceptibles d’influencer fortement la dynamique des nucléons au sein des noyaux.

Le fluor-28 comme témoin de la disparition de magicité de l'oxygène-28

F28 voisin immédiat de O28
Comment produit-on du fluor-28 : les noyaux de fluor-29 et de néon-29 (présents sur la figure)  sont produits et sélectionnés par le RIBF (Radioactive Ion Beam Facility). Ils sont produits lors de réactions de fragmentation d'un faisceau de calcium-48 avec une cible de béryllium puis sélectionnés à l'aide d'un spectromètre, avant d'être envoyés dans la cible d'hydrogène liquide MINOS où ils vont subir une réaction secondaire (perte d'un neutron pour le fluor-29 ou d'un proton pour le néon-29) pour former le fluor-28 qui va décroitre quasi instantanément une fois produit.

Référence : A. Revel et al., Physical Review Letters 124, 152502 (2020)

A propos de la collaboration SAMURAI :

La collaboration SAMURAI, dont le responsable est T. Nakamura du département de physique de TITEC à Tokyo, a été mise en place pour étudier les noyaux situés à la limite ou au-delà de la limite de liaison nucléaire. Son succès repose sur quatre piliers, 1- la production de faisceaux par le RIBF (Radioactive Ion Beam Facility) à une intensité environ 1000 fois supérieure à toute autre installation, 2- l'utilisation d'une cible d'hydrogène liquide MINOS (conçue par des équipes du CEA-IRFU)  de grande épaisseur et servant à identifier le vertex où a lieu la réaction secondaire, 3- le spectromètre à grande acceptance SAMURAI, et 4- la détection de neutrons avec une grande efficacité et granularité avec les détecteurs neutrons japonais NEBULA et allemand NEULAND. Pour la partie étude de l'oxygène-28 dans laquelle s'inscrivent ces nouveaux résultats, le porte-parole est Y. Kondo du département de physique de TITEC.
 

Contacts chercheurs :

  • Olivier Sorlin, GANIL – olivier.sorlin@ganil.fr
  • Miguel Marqués, LPC Caen – marques@lpccaen.in2p3.fr

Contact

Fanny Farget
DAS Nucléaire et applications
Emmanuel Jullien
Responsable de la cellule communication de l'IN2P3