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La radioactivité 2-protons

(septembre 2012)

Qu’est-ce que la radioactivité 2-protons ?

Lorsque le déséquilibre entre le nombre de protons et de neutrons d’un noyau atomique devient trop grand, l’interaction nucléaire forte, ingrédient principal de la cohésion du noyau, n’est plus capable de retenir les nucléons (protons ou neutrons) excédentaires. Dans le cas des noyaux avec un très grand excès de protons, le(s) dernier(s) proton(s) peuvent néanmoins être maintenus pour un temps court au sein du noyau par la barrière coulombienne (barrière de potentiel créée par l’ensemble des charges électriques des protons du noyau). C’est ainsi que les descriptions théoriques du noyau ont prédit, dans les années 1960, que devraient exister les phénomènes de radioactivité 1-proton (pour des noyaux avec un nombre impair de protons) et 2-protons (pour des noyaux avec un nombre pair de protons). Le(s) dernier(s) proton(s) sont maintenus par cette barrière dans le noyau, et finissent par être éjectés en traversant cette barrière par effet tunnel.

Dans le cas de la radioactivité 2-proton, l’effet d’appariement vient compléter l’effet de barrière coulombienne. Les forces d’appariement entre les nucléons ont pour conséquence de rendre plus stable les noyaux ayant un nombre pair de protons et/ou de neutrons par rapport à leur voisins. Ainsi, dans le cas de la radioactivité 2-protons, l’émission d’un seul proton n’est pas possible, et le noyau doit nécessairement émettre simultanément les 2 protons excédentaires. Les meilleurs candidats pour ce nouveau type de radioactivité étaient prédits dans la région du Titanes (Z=20) au Zinc (Z=30), à la drip-line proton, et ces prédictions ont par la suite été confirmées par des modèles théoriques plus récents.

Expérimentalement, la radioactivité 1-proton a été découverte au début des années 1980 au GSI à Darmstadt, et la radioactivité 2-protons seulement au début des années 2000 au GANIL (Caen) et au GSI.


Vue schématique de la radioactivité 2-protons

 

Découverte de la radioactivité 2-protons

Le groupe a mené des expériences, principalement au GANIL sur le spectromètre LISE, pour produire et étudier les noyaux dans la région de masse des candidats prédits par la théorie.

Ces expériences nous ont tout d’abord permis de découvrir l’existence du noyau doublement magique 48Ni, qui en plus d’être candidat à la radioactivité 2-protons, est intéressant du fait qu’il soit le noyau avec le plus grand déficit de neutrons, qu’il ait des couches fermées de protons et de neutrons (caractère « magique » de sa structure en couches),... (voir expérience E312a).

Nous avons observé pour la première fois la radioactivité 2-protons dans la décroissance du noyau 45Fe (voir expérience E312b), de façon indirecte. Les noyaux sont implantés dans un détecteur silicium, qui permet de mesurer l’énergie totale des particules chargées (position pour une décroissance beta et protons pour une radioactivité 2-protons) émises au cours de la décroissance. Ce sont des observables globales qui ont permis de conclure à ce mode de décroissance : durée de vie et énergie de la transition (des protons émis), absence de positons dans la décroissance, mesure de durée de vie du noyau fils compatible seulement avec la durée de vie de 43Cr (qui résulte de l’émission de 2 protons depuis 45Fe),...

La suite de ces expériences (E312c, E312d, E312e) a permis de confirmer cette observation pour 45Fe, de l’observer sur le même type d’analyse pour 54Zn, et d’avoir une première observation d’un événement compatible avec cette nouvelle radioactivité dans la décroissance de 48Ni.

 

Première observation directe de la radioactivité 2-protons

Pour aller plus loin dans la compréhension de cette nouvelle radioactivité (à l’aide de descriptions théoriques du phénomène), il est nécessaire de pouvoir observer individuellement les 2 protons émis et de déterminer le partage de l’énergie de la transition entre les particules ainsi que les corrélations en angle.

En effet, comme le sous-système constitué de 2 protons n’est pas lié hors du noyau (le noyau 2He n’existe pas), les 2 protons se « séparent » après avoir été émis. Les corrélations observées à l’extérieur du noyau doivent apporter des informations sur les corrélations qui existaient à l’intérieur du noyau, et donc sur l’appariement des protons et sur le mécanisme d’émission.

C’est avec cet objectif que le groupe s’est lancé dans la construction d’un nouveau type de détecteur : une chambre à projection temporelle (TPC) pour reconstruire les trajectoires des 2 protons. Ce détecteur à permis d’observer pour la première fois de façon directe l’émission des 2 protons dans la décroissance de 45Fe (exp. E457a en 2005) et de 54Zn (exp. E457b en 2008).


La TPC au bout de la ligne du séparateur LISE, au GANIL.

 

Perspectives

Ce programme expérimental se poursuit selon 2 axes :
- la recherche de nouveaux candidats tels que 59Ge, 63Se ou 67Kr, vraisemblablement au cours d’expériences à RIKEN (Japon) ;
- le développement d’une TPC de nouvelle génération.