Le silicium-34 : un "noyau bulle" atypique

Le noyau atomique doit sa très grande compacité et sa taille infinitésimale, de l’ordre de quelques fermis (10^-15 m), à deux caractéristiques de l’interaction nucléaire forte : elle est très attractive et de très courte portée, inférieure à la taille même du noyau. Cela se traduit par une très grande densité au cœur du noyau atomique, de l’ordre de 200 millions de tonnes par m³. Mais aussi par un effet de saturation : la densité de la matière nucléaire est sensiblement constante depuis le centre du noyau jusqu’à sa périphérie, quel que soit le nombre de nucléons ; elle chute ensuite brusquement à la surface.

Ces observations sont conformes à la modélisation du noyau atomique sous la forme d’une goutte liquide, proposée par le physicien russe George Gamow dès 1930. Suivant ce modèle, le volume du noyau augmente en effet en proportion du nombre de nucléons qu’il contient, sans que sa densité centrale ne change.

Cette description a été confortée par Robert Hofstader, co-lauréat du prix Nobel de physique en 1961 avec Rudolf Ludwig Mössbauer pour avoir mis au point une technique expérimentale permettant de sonder le noyau atomique à l’aide de faisceaux d’électrons. Elle n’a été mise en défaut que très récemment, et pour très peu de noyaux. C’est notamment arrivé en 1985 et confirmé au Ganil ensuite avec la découverte des premiers noyaux à halos, qui ont une densité beaucoup plus diffuse en surface. Dans ces noyaux légers et très riches en neutrons tels que le lithium-11 (3 protons et 8 neutrons), l’interaction nucléaire forte ne parvient que difficilement à lier les neutrons excédentaires avec les nucléons du cœur : les neutrons constituent – pendant les quelques dizaines de millisecondes de vie des noyaux – une sorte de halo, ce qui augmente considérablement le volume apparent des noyaux. Dans le cas du lithium-11, son rayon est par exemple voisin de celui du plomb-208, contenant 20 fois plus de nucléons dans son noyau !

Un creux au centre du noyau

Récemment, une équipe menée par des chercheurs du Ganil a fait une nouvelle découverte : alors que la densité au centre des quelques 3100 noyaux étudiés à ce jour est sensiblement la même eu égard à la saturation nucléaire mentionnée plus haut, la densité de protons du noyau de silicium-34 est près de 40 % inférieure à la normale ! C’est ce qui ressort d’une expérience que l’équipe a réalisée au National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) de l’Université de Michigan State aux États-Unis.

Les chercheurs ont produit des noyaux de soufre-36 et de silicium-34, ce dernier ayant deux protons de moins que le premier. Ces noyaux ont été envoyés sur une cible de béryllium et l’équipe s’est intéressée aux collisions nucléaires donnant lieu à l’arrachage d’un proton à chacun de ces deux noyaux. Ils ont déduit des observations expérimentales que les deux protons manquants au silicium-34 occupent dans le souffre-36 des orbitales localisées au centre du noyau. Dans le silicium-34, l’absence de ces deux protons créé ainsi une "bulle", formant un creux au centre du noyau tel qu’illustré dans la figure 1.

De nombreux processus nucléaires impactés par cette découverte

La découverte de la structure en "bulle" du silicium-34 en fait un cas unique pour tester la réponse de l’interaction nucléaire forte à une variation de la densité nucléaire. Une de ses composantes notamment, appelée "interaction spin-orbite", est supposée y être particulièrement sensible. Or elle joue un rôle important dans la structuration du noyau atomique car elle modifie l’énergie des orbitales nucléaires suivant que le spin (ou moment angulaire intrinsèque) et le moment angulaire orbital des nucléons sont alignés ou bien anti-alignés l’un par rapport à l’autre. Son rôle est par exemple déterminant dans la formation de noyaux dits "magiques" parce que l’énergie des orbitales remplies par les derniers nucléons confèrent à ces noyaux une plus grande robustesse.

On s’attend donc à ce que des variations importantes de la densité nucléaire modifient significativement la composante spin-orbite de l’interaction nucléaire forte. De fait, cela a déjà été observé entre le soufre-37 et le silicium-35 entre lesquels on a constaté 1  que l’interaction de spin-orbite y est, pour les orbitales localisées au cœur du noyau, plus faible d’un facteur 2 !

Ce résultat, conjugué à la mesure expérimentale de la variation de densité au centre du silicium-34, permet pour la première fois de quantifier l’influence de la variation de densité sur la composante spin-orbite de l’interaction nucléaire forte. De nouvelles données d’entrée pour les théoriciens qui vont pouvoir tester la capacité de leurs modèles à reproduire ces résultats expérimentaux, et donc la validité de leur traitement de l’interaction spin-orbite.

D’autres régions de la carte des noyaux (voir la figure 2) ainsi que différents processus nucléaires peuvent être directement impactés par cette découverte :

• Les noyaux très riches en neutrons (et donc radioactifs) présentent vraisemblablement une "peau de neutrons", caractérisée par une diminution lente plutôt qu’abrupte de la densité nucléaire à leur surface. La sensibilité de l’interaction spin-orbite vis-à-vis de la densité nucléaire est ainsi susceptible de modifier la structure de ces noyaux riches en neutrons et donc leur durée de vie, leur masse ou encore la probabilité qu’ils interagissent avec leur environnement. Ces noyaux étant présents dans la croûte d’étoiles à neutrons et impliqués dans certains processus stellaires explosifs, la dépendance en densité de l’interaction nucléaire forte doit logiquement influencer la composition externe des étoiles à neutrons et jouer un rôle déterminant pour la synthèse d’éléments lourds dans l’univers.
• Les  noyaux super-lourds, ayant un très grand nombre de protons et de neutrons, pourraient présenter une déplétion de densité de matière en leur centre du fait  de la forte répulsion électrique entre protons qui n’est plus que marginalement compensée par l’interaction nucléaire étant donné leur taille. Cet effet  devrait influencer la structure en couche de ces noyaux super-lourds, qui est déterminante dans la recherche d’un îlot de stabilité au-delà de Z=114. C’est là un des thèmes de recherche qui sera mené auprès du Super séparateur spectromètre (S³) qui fait partie de l’installation Spiral2 au Ganil et dont la mise en service est prévue courant 2017.
• Alors que la plupart des noyaux atomiques sont, du fait de leur grande densité centrale, très difficiles à comprimer, on peut se demander si un noyau bulle ne peut pas présenter un mode de compression tout à fait inédit, qu’il doit être possible de caractériser au moyen de collisions nucléaires.
• Enfin, juste avant qu’un noyau lourd ne fissionne, il se forme un creux entre les deux futurs fragments de fission. On peut donc s’attendre à ce que la fission s’accompagne d’une modification significative de la composante spin-orbite de la force nucléaire et qu’elle influence la probabilité de produire tel fragment plutôt qu’un autre.

Référence

A. Mutschler, A. Lemasson, O. Sorlin et al. A proton density bubble in the doubly magic 34Si nucleus. Nature Physics. Publication avancée en ligne le 24 octobre 2016. DOI: 10.1038/nphys3916. Disponible sur : http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3916.html

Pour en savoir plus

• Site du Ganil et de Spiral2
• Page dédiée à S³

• 1G. Burgunder, O. Sorlin, F. Nowacki et al., Experimental Study of the Two-Body Spin-Orbit Force in Nuclei. Physical Review Letters 112, 042502 (2014).