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Etude des éléments lourds et super lourds

Dernière mise à jour : lundi 16 avril 2012, par Nicolas Busser

Un récent article du journal "La Recherche" d’avril 2011 est consacré aux "atomes ultralourds". Cela reflète bien qu’un des défis majeurs de la physique nucléaire moderne est de pousser l’étude des éléments au-delà de leur limite d’existence. Une question simple et pourtant fondamentale est : existe-t-il une limite au nombre de protons qu’un noyau atomique puisse contenir ? Pour répondre à une telle question, la synthèse de nouveaux éléments avec un nombre de protons toujours plus élevé (Z=114 à 122), est motivée par la prédiction théorique d’un nouvel îlot de stabilité. En effet, les éléments très lourds sont un laboratoire unique pour étudier la structure et la dynamique nucléaire sous l’influence de forces de Coulomb importantes.
Alors que les sections efficaces de production de noyaux superlourds sont très faibles, la production de certains noyaux avec un nombre de protons allant de Z=100 à Z=106 est suffisante pour obtenir des informations utiles sur leur structure nucléaire. A terme, de nouveaux instruments tels que le Super Séparateur Spectromètre S3 devraient permettre d’aller jusqu’à l’étude spectroscopique de l’élément 112.

L’étude spectroscopique par détection de rayons γ et d’électrons de conversion interne est le premier objectif du projet franco-russe GABRIELA (Gamma Alpha Beta Recoil Investigation with the Electromagnetic Analyzer Vassilissa), financé par l’ANR, projet SHELS (Separator for Heavy Element Spectroscopy, ANR-06-BLAN-0034) auprès du séparateur VASSILISSA du laboratoire FLNR de Dubna (Russie). L’IPHC est un des éléments moteur de ce programme scientifique avec le CSNSM Orsay et le FLNR Dubna. La forte intensité de faisceau combinée avec l’utilisation de cibles d’actinide en fait un projet unique au monde. Depuis 2007, ce dispositif a montré l’étendue de ses performances dont les résultats ont été publiés dans des revues avec comité de lecture et présentés dans de nombreuses conférences internationales, notamment l’étude d’états isomériques dans les noyaux 249Fm, 253No et 255Lr [1].

De façon complémentaire, les développements d’une cible rotative et d’électronique digitale TNT2, et leur installation à l’Université de Jyväskylä nous ont permis de repousser les limites de détection en spectroscopie prompte à l’aide de JUROGAM-RITU-GREAT à la dizaine de nanobarns. Ces avancées technologiques ont permis de faire pour la première fois la spectroscopie de 246Fm, la mise en évidence et l’étude de sa bande de rotation [2] présentée sur la figure. Cette expérience ouvre la voie à la spectroscopie de 256Rf avec ses 12 nb de section efficace pour laquelle manque encore le faisceau intense de 50Ti.

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Spectre γ du 246Fm : mise en évidence de la bande rotationnelle jusqu’à l’état 16+ issue de la réaction 40Ar+208Pb

Les faisceaux isotopiques de 50Ti, voisins du 48Ca représentent un enjeu majeur dans la synthèse des éléments superlourds. L’équipe pluridisciplinaire de l’IPHC (DRS-DSA) développe depuis plusieurs années, en collaboration avec l’Université de Jyväskylä, des molécules permettant à terme de délivrer un tel faisceau, parmi lesquelles, Cp*TiMe3 semble être la plus prometteuse. La synthèse complète et l’utilisation de ce composé et sont en passe d’être maitrisés au laboratoire, ouvrant la voir à la spectroscopie du 256Rf programmé fin de l’été. Cette réussite rend possible dans les prochains mois l’étude d’un certain nombre de noyaux superlourds graal dont l’élément 120 qui sera alors le plus lourd synthétisé !

La difficulté pour synthétiser des éléments superlourds est due au fait que tout au long du processus de leur formation, d’autres processus sont en compétition. La formation du noyau composé est empêchée par la quasi-fission (QF) et la survie du résidu d’évaporation est en forte compétition avec la fission suivant la fusion (FF). Il est essentiel de bien connaître ces deux mécanismes afin de contraindre les modèles théoriques prédisant l’existence et la localisation d’un îlot de stabilité dans la région des noyaux superlourds. La collaboration DEMON-CORSET mène depuis de nombreuses années une vaste étude de ces processus sur un large domaine de masses et d’énergies à travers des campagnes de mesures auprès de divers accélérateurs européens. La dernière expérience avec l’ensemble du multidétecteur DEMON et le spectromètre de masse CORSET a été effectuée en 2006-2007. Les résultats de cette expérience [3] montrent l’importance de la quasi-fission dans le noyau Hs formé par différentes voies de réaction, symétriques et asymétriques qui permettent aussi de voir l’effet de la voie d’entrée sur le processus. La poursuite de ce programme nécessite un nouveau multidétecteur de neutrons. En effet, DEMON, qui est opérationnel depuis 1994, montre des signes de vieillissement et fonctionne avec une électronique au standard VXI maintenant obsolète et dont la maintenance devient impossible.

Un aspect de la fission a été abordé parallèlement par la collaboration DEMON-CODIS : l’étude des corrélations entre les fragments et les neutrons dans la fission spontanée du noyau de 252Cf. Cette expérience est en cours à Strasbourg. Le but est de mettre en évidence et de quantifier une éventuelle anisotropie dynamique de neutrons ainsi qu’une émission de neutrons de scission. En effet, il est bien établi que les neutrons rapides évaporés par les fragments de la fission nucléaire sont émis de manière anisotrope par rapport à l’axe de fission. Mais diverses analyses de données ont mené à la conclusion que l’anisotropie mesurée ne peut pas être décrite uniquement par la focalisation cinématique des neutrons émis par les fragments en mouvement. Les hypothèses émises pour comprendre cette divergence sont soit l’existence de neutrons de scission soit l’émission anisotrope des neutrons dans le centre de masse des fragments. Les effets recherchés étant extrêmement faibles, plusieurs configurations géométriques ont été mises en œuvre afin d’optimiser cette étude et d’être en mesure de mettre en évidence d’éventuels biais expérimentaux. Une procédure d’analyse originale permettant de mettre en évidence la contribution de l’anisotropie dans le centre de masse a été développée au sein de la collaboration [4].


[1O. Dorvaux et al, Proc.Frontiers in Nuclear Structure, and Reactions, Crete, Greece, 10-14 sept. 2007

[2J. Piot et al, PRC submitted

[3I.M. Itkis et al, Phys. Rev. C 83, 064613 (2011)

[4L. Stuttgé et al, Proc. Seminar on Fission VII, Het Pand, Gent, Belgium, 16-20 mai 2010, Ed. by C. Wagemans, J. Wagemans, P. D’hondt, World Scientific, p. 181-188