Une carte bidimensionnelle de la surface "qualité d'ajustement de la ligne gamma" (surface chi^2) en fonction de son énergie de transition Eγ et de la durée de vie τ de l'état nucléaire étudié. Le minimum surfacique, marqué d'une croix, détermine les meilleures valeurs d'ajustement Eγ et τ, et la ligne noire illustre les incertitudes (erreurs) de ces quantités. En arrière-plan des graphiques sont présentés trois systèmes de détection utilisés pendant l'expérience :AGATA, PARIS et VAMOS. (Source :IFJ PAN) Crédit :IFJ PAN
Les scientifiques de l'IFJ PAN ainsi que des collègues de l'Université de Milan (Italie) et d'autres pays ont confirmé la nécessité d'inclure les interactions à trois nucléons dans la description des transitions électromagnétiques dans le 20 O noyau atomique. L'application de systèmes de détection de rayons gamma à la pointe de la technologie et la nouvelle technique de mesure des durées de vie femtosecondes dans les noyaux exotiques produits dans les réactions inélastiques profondes aux ions lourds ont été vitales pour valider les calculs théoriques modernes de la structure nucléaire.
Les noyaux atomiques sont constitués de nucléons, de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons sont des systèmes de quarks et de gluons liés par des interactions nucléaires fortes. La physique des quarks et des gluons est décrite par la chromodynamique quantique (QCD), on pouvait donc s'attendre à ce que les propriétés des forces nucléaires résultent également de cette théorie. Malheureusement, malgré de nombreuses tentatives, déterminer les caractéristiques des interactions fortes basées sur la QCD se heurte à d'énormes difficultés de calcul. Cependant, on en sait relativement beaucoup sur les propriétés des forces nucléaires - cette connaissance est basée sur de nombreuses années d'expérimentation. Des modèles théoriques ont également été développés qui peuvent reproduire les propriétés de base des forces agissant entre une paire de nucléons - ils utilisent les potentiels d'interaction nucléon-nucléon efficaces.
Connaissant les détails de l'interaction entre deux nucléons, nous nous attendrions à ce que la description de la structure de n'importe quel noyau atomique ne soit pas un problème. Étonnamment, il s'avère que lorsqu'un troisième nucléon est ajouté au système à deux nucléons, l'attraction entre les deux nucléons initiaux augmente. Ce qui suit, la force de l'interaction entre les composants de chaque paire de nucléons dans le système à trois corps augmente - une force supplémentaire apparaît qui semble ne pas exister dans le cas d'une paire isolée. Cette contribution déroutante est appelée force irréductible à trois nucléons.
Cette situation s'est avérée être une source d'inspiration pour les scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences et leurs collègues de l'Université de Milan. Ils ont réalisé qu'un test parfait pour la présence d'interactions à trois nucléons dans les noyaux pourrait être de déterminer les durées de vie d'états excités sélectionnés dans des isotopes d'oxygène et de carbone riches en neutrons. À la suite d'analyses détaillées, le concept d'expérimentation est né, dont les coordinateurs sont devenus Prof. Silvia Leoni de l'Université de Milan et Dr. Michal Ciemala et Prof. Bogdan Fornal de la FIJ PAN. Des chercheurs travaillant au laboratoire français GANIL à Caen et d'autres institutions de recherche du monde entier ont également été invités à coopérer à ce projet.
"L'expérience s'est concentrée sur la détermination de la durée de vie des états nucléaires excités pour les isotopes de carbone et d'oxygène riches en neutrons, 16 C et 20 , " explique le Pr Fornal. " Dans ces noyaux, les états excités apparaissent, qui semblent particulièrement sensibles à la prise en compte dans les calculs de l'interaction à trois corps (nucléon-nucléon-nucléon - NNN) en plus de l'interaction nucléaire à deux corps (nucléon-nucléon - NN). Dans le cas de la 20 noyau, la durée de vie du deuxième état excité 2+, calculé uniquement pour l'interaction NN, devrait être de 320 femtosecondes, en tenant compte des interactions NN et NNN, les calculs donnent le résultat de 200 femtosecondes. Pour la durée de vie du deuxième état 2+ dans 16 C, la différence est encore plus grande :370 femtosecondes (NN) contre 80 femtosecondes (NN + NNN)."
L'expérience dédiée à la mesure des durées de vie a été réalisée au centre de recherche du GANIL à Caen, La France. Les scientifiques ont utilisé des détecteurs de rayonnement gamma (AGATA et PARIS) connectés à un spectromètre magnétique (VAMOS). La réaction d'un faisceau de 18O avec une cible de 181Ta a généré des noyaux atomiques excités d'éléments tels que B, C, N, O et F à la suite de processus de diffusion inélastique profonde ou de transfert de nucléons. Dans les noyaux mobiles étudiés, les états quantiques excités décomposés par l'émission de photons de haute énergie, dont l'énergie a été décalée par rapport à l'énergie des transitions dans le référentiel de repos. Ce décalage dépend de la vitesse du noyau émetteur de photons et de l'angle d'émission. Ce phénomène est décrit par la formule Doppler relativiste.
Pour des durées de vie au niveau nucléaire plus courtes que le temps de vol du noyau excité à travers la cible (environ 300 femtosecondes), L'émission quantique gamma se produit principalement lorsque le noyau est encore dans la cible. Dans le cas décrit, les scientifiques ont mesuré la vitesse du noyau après son passage à travers la cible. En utilisant cette vitesse pour corriger le spectre de l'énergie du rayonnement gamma, les raies spectrales obtenues ont la forme correspondant à la distribution gaussienne pour les cas où la durée de vie à l'état excité est longue. Pour des durées de vie de 100 à 200 femtosecondes, les raies spectrales présentent une composante asymétrique et pour des durées de vie inférieures à 100 femtosecondes, elles sont complètement décalées vers des énergies plus petites.
"Pour déterminer la durée de vie, nous avons effectué des simulations et comparé leurs résultats avec le spectre mesuré de l'énergie du rayonnement gamma, " dit le Dr Ciemala, l'auteur du concept de mesure du temps de désintégration de l'état nucléaire utilisé dans l'expérience. « Dans ces études, la méthode décrite ci-dessus a été appliquée pour la première fois pour déterminer la durée de vie des états excités dans les noyaux produits dans des réactions profondément inélastiques. Cela nécessitait le développement de codes de simulation Monte Carlo avancés qui comprenaient la cinématique de réaction et reproduisaient les distributions de vitesse mesurées des produits de réaction. La méthode utilisée, en conjonction avec les systèmes de détection appliqués, a donné des résultats très satisfaisants."
La recherche décrite pour la première fois a permis aux scientifiques de mesurer la durée de vie de dizaines et de centaines de femtosecondes d'un état nucléaire créé dans une réaction profondément inélastique - dans le cas décrit, il s'agissait du deuxième état 2+ dans le 20 Noyau O pour lequel la durée de vie de 150 femtosecondes a été obtenue. La validité de la nouvelle méthode a été démontrée en déterminant les durées de vie des états excités dans le 19 O noyau parfaitement en accord avec les données de la littérature. Il faut souligner que la durée de vie du deuxième état 2+ dans 20 , obtenu dans ce travail, n'est d'accord avec les prédictions théoriques que si les interactions à deux et trois corps sont prises en compte en même temps. Ceci conduit à la conclusion que les grandeurs de mesure fournies par les transitions électromagnétiques et obtenues à l'aide d'une spectroscopie gamma précise peuvent être de très bonnes sondes pour évaluer la qualité des calculs ab initio de la structure nucléaire.
"Cette procédure pionnière développée nous aidera à mesurer la durée de vie des états excités pour des noyaux très exotiques loin de la vallée de stabilité, qui peuvent être créés dans des réactions profondément inélastiques à l'aide de faisceaux radioactifs de haute intensité, qui sera bientôt disponible, par exemple, à l'INFN Laboratori Nazionali di Legnaro près de Padoue en Italie, " argumente le Pr Fornal. " Les informations obtenues seront essentielles pour l'astrophysique nucléaire et contribueront certainement aux progrès dans la compréhension de la formation des noyaux atomiques dans le processus rapide de capture de neutrons dans les explosions de supernova ou la fusion d'étoiles à neutrons qui a été récemment observée. en mesurant les ondes gravitationnelles en coïncidence avec le rayonnement gamma."