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Dossiers de presse

 

Paris, le 19 février 2002

 

Spiral : un nouvel outil pour la physique nucléaire

 Le communiqué de presse

 


 

Le noyau atomique est un objet quantique composite et complexe. Comme pour toute matière composite, ses propriétés sont régies par des principes structurants universels telles les symétries et leur brisure ou les transitions entre ordre et désordre, plutôt que par les détails de ses constituants. L'exploration d'états extrêmes - en énergie d'excitation (noyaux chauds), en densité (compression), en asymétrie neutrons/protons (noyaux exotiques), en charge (noyaux super-lourds) et en moment angulaire (noyaux super-déformés) - est l’outil de choix utilisé aujourd’hui par les physiciens nucléaires pour pousser plus loin leur connaissance du monde subatomique.
Le laboratoire Ganil a non seulement une forte activité expérimentale dans les domaines de la structure nucléaire, de la dynamique et de la thermodynamique de la matière nucléaire mais aussi une activité théorique importante, ce qui lui permet d’occuper une position de premier plan dans la physique nucléaire mondiale. La plupart des expériences se font dans le cadre de collaborations internationales, notamment avec des grands laboratoires comme GSI (Darmsatdt, Allemagne), Dubna (Russie), Michigan State University (Etats-Unis) et Riken (Japon).

Noyaux exotiques et structure nucléaire

Enjeux de la recherche

Les noyaux exotiques sont des noyaux qui comportent des proportions anormales de protons et de neutrons (états extrêmes d’isospin). Le Ganil en a mis en évidence plus d’une centaine d’entre eux en dix ans, dont certains sont à la limite de la stabilité. Ces noyaux exotiques sont une véritable Terra incognita. Leur structure remet en cause les modèles nucléaires classiques comme le modèle en couches. Ils sont essentiels à notre compréhension du cosmos.
Les nouveaux faisceaux de noyaux exotiques maintenant produits par Spîral, alliés aux équipements existants ou en construction, font du Ganil un outil unique en Europe pour explorer la structure de la matière dans ces états extrêmes d’isospin.

Quelques résultats marquants

  • les noyaux à halos et dimères nucléaires

L’étude des noyaux à halos a révélé des structures quantiques montrant qu’ils sont formés d'un nuage de nucléons en orbite autour d'un noyau dense. Ce sont des systèmes complexes à plusieurs composantes ; certains, comme le Lithium 11, sont aussi des systèmes borroméens, systèmes à trois sous-ensembles qui, pris deux à deux sont instables. Ce phénomène, très rare dans la nature, met en évidence les propriétés quantiques du système.
Les noyaux exotiques révèlent d'autres structures étonnantes comme celles des polymères nucléaires. Le Beryllium 12 en est une illustration : celui-ci peut prendre la forme de deux noyaux à halos d'hélium 6, liés par leur nuage de neutrons de valence. Loin d'être des singularités, ces états, mettant en jeu aussi bien des agrégats que des nuages de nucléons, semblent être des structures très répandues qui peuvent changer la compréhension de bien des phénomènes nucléaires tels que la radioactivité ou la fission.
Toutes ces observations conduisent à modifier profondément la description que l’on donnait jusqu’à présent des noyaux.

  • les nombres magiques

La découverte des nombres magiques a été un fort argument en faveur du modèle en couches des noyaux. En effet, elle mettait en évidence une stabilité accrue des noyaux dont les nombres de neutrons et/ou de protons correspondaient à des couches complètement remplies. Or, pour les noyaux exotiques, ces couches semblent disparaître ou être profondément modifiées. Cette modification de la cohésion des noyaux correspond à un profond changement de leur structure d'équilibre. Une description relativiste des noyaux, prenant en compte les propriétés des nucléons et des vecteurs de l'interaction forte, est aujourd'hui en plein développement.

  • les chemins de la nucléosynthèse

La connaissance des noyaux exotiques joue un rôle essentiel dans la compréhension du cosmos. Les processus de nucléosynthèse, c’est-à-dire de formation des noyaux dans les étoiles à partir de l’hydrogène et de l’hélium, sont en effet directement liés aux propriétés des noyaux mis en jeu. L'observation par exemple de l’instabilité de certains noyaux riches en protons a obligé les théoriciens à reconsidérer leurs scenarii de capture rapide de protons.

Dynamique et thermodynamique des réactions nucléaires

Enjeux de la recherche

Les avancées expérimentales et théoriques dans notre compréhension des systèmes nucléaires fortement perturbés ont ouvert de nouvelles voies de recherche. Ainsi, à très haute énergie d'excitation, les évolutions rapides du système imposent de déterminer la dynamique de la réaction et de tester l’existence d'équilibres thermiques et chimiques. Ces études sont essentielles pour valider toute conclusion sur l'équation d’état de la matière nucléaire et pour ainsi déterminer son diagramme de phase. Les réactions entre ions lourds aux énergies du Ganil sont un outil unique pour chauffer, comprimer et faire subir de multiples contraintes aux noyaux afin d'étudier leurs propriétés mécaniques et thermiques (thermodynamique).

Quelques résultats marquants

  • les noyaux chauds

Pour la première fois des noyaux portés à plus de 100 milliards de degrés ont été observés, montrant que le noyau peut supporter des excitations extrêmes allant au-delà des limites prédites de cohésion. Le Ganil a ainsi permis de mettre en évidence la naissance d'un mécanisme nouveau, l'explosion du système en une multitude de fragments pouvant conduire jusqu’à la vaporisation totale du noyau en ses constituants élémentaires. Définir les limites de la coexistence liquide-gaz et la position du point critique sont l’enjeu de ces expériences de multi-fragmentation.

  • les capacités calorifiques négatives

Récemment, l'une des premières observations de chaleur massique négative a été faite grâce à une nouvelle méthode proposée par les théoriciens caennais. Ce serait la mise en évidence directe d'une transition de phase dans un système fini. La physique nucléaire est la première discipline à rapporter une telle observation.

  • les transitions de phase

L'observation de ces nouvelles voies de désexcitation pose le problème des transitions de phase dans les systèmes quantiques mésoscopiques. On a ainsi accès à un état de la matière qui doit exister dans le cœur des supernovæ et des étoiles à neutrons. Même si l'intérêt de ces études est incontestable pour la cosmologie, comprendre et mesurer les propriétés de la matière à très haute température et densité est également une façon de mettre à l'épreuve notre description du noyau.

De nombreux outils théoriques ont été développés, non seulement pour décrire les propriétés des transitions de phases dans les petits systèmes et en extraire les comportements critiques, mais aussi pour maîtriser la dynamique de l'excitation et de la désexcitation de ces systèmes en rapide évolution. Cette synergie entre expérience et théorie a permis d'importants progrès dans notre capacité de description des réactions nucléaires violentes comme la spallation et la fragmentation.

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