Une nouvelle façon d’accéder aux états excités des noyaux exotiques

Un noyau atomique assume des niveaux d’énergie discrets lorsque l’énergie ajoutée excite ce noyau. Ces niveaux d’énergie sont l’empreinte unique du noyau ; deux noyaux n’ont pas de modèles d’énergie identiques. Pour les noyaux exotiques, qui ont un nombre déséquilibré de protons et de neutrons et qui n’existent souvent que pendant une fraction de seconde, les chercheurs ont mis au point diverses méthodes pour mesurer les énergies de leurs niveaux excités.

Les chercheurs ont récemment découvert des niveaux inhabituels qui se sont formés lorsqu’un faisceau de calcium-38 voyageant à 30 % de la vitesse de la lumière est entré en collision avec une cible de béryllium-9. Les noyaux de calcium-38 ont perdu une quantité substantielle d’énergie lors de la rencontre.

Les chercheurs ont retracé les niveaux excités inhabituels formés dans le calcium-38 jusqu’à l’excitation simultanée de plusieurs protons et neutrons. Les énergies de ces états complexes sont des sondes sensibles pour la théorie nucléaire. Ils sont difficiles à observer dans les réactions généralement effectuées à des énergies de faisceau élevées dans des accélérateurs de particules.

Ainsi, de telles réactions de diffusion dissipative sont un nouvel outil dans l’arsenal des chercheurs nucléaires qui étudient et modélisent les noyaux. À l’avenir, les chercheurs pourront utiliser ces types de réactions pour étudier des niveaux d’énergie inhabituels dans de nombreux autres noyaux à courte durée de vie afin de sonder la théorie nucléaire, par exemple à la Facility for Rare Isotope Beams.

Les chercheurs ont découvert une nouvelle voie conduisant à la formation d’états excités complexes dans des isotopes rares. Ils ont réalisé l’expérience au National Superconducting Cyclotron Laboratory, un accélérateur de particules basé sur un cyclotron à l’Université d’État du Michigan, anciennement exploité comme une installation utilisateur de la National Science Foundation. Ces états excités semblent impliquer le réarrangement de plusieurs nucléons, formés en une seule collision projectile-cible hautement énergétique.

Les énergies de tels états sont des repères sensibles pour les calculs de modèles de coque qui chevauchent de grands espaces de modèles. Pour l’isotope rare calcium-38, les chercheurs ont observé la population de tels niveaux d’énergie via la spectroscopie de rayons γ en faisceau avec GRETINA.

Cela a suivi après une diffusion inélastique dans laquelle le faisceau entrant de calcium-38 a interagi avec une cible de béryllium-9 à plus de 30 % de la vitesse de la lumière. Le faisceau entrant de calcium-38 a étonnamment perdu plus de 200 millions d’électronvolts d’énergie. Ces états de structure complexe révélateurs étaient auparavant hors de portée dans les expériences de faisceaux rapides à luminosité généralement élevée sans une perte d’énergie aussi élevée. Ils échappent le plus souvent à l’observation dans les réactions à faible énergie, qui nécessitent des intensités de faisceau beaucoup plus élevées.

Ce travail a été réalisé par une collaboration d’expérimentateurs et de théoriciens de la Michigan State University, de l’Université de Washington à St. Louis, du Laboratoire national d’Argonne et de l’Université de Surrey au Royaume-Uni. La recherche connexe a été publiée dans Lettres d’examen physique et Examen physique C.