"Pousser le noyau dans ses derniers retranchements" : c'est ce que signifient les derniers résultats de la campagne menée à Strasbourg avec EUROBALL IV, le multidétecteur de rayonnements gamma élaboré et construit dans le cadre d'une collaboration européenne comprenant l'Allemagne, le Danemark, la France, l'Italie, le Royaume-Uni et la Suède. Grâce à cette dernière version du détecteur qui améliore son pouvoir de résolution, donc sa sélectivité, les physiciens de l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du CNRS viennent d'obtenir de nouveaux résultats significatifs sur le comportement des noyaux "superdéformés" (en forme de ballon de rugby du fait de la très grande vitesse de rotation qui leur est imposée) et sur la structure des noyaux "exotiques" dont les proportions de neutrons et de protons sont très différentes de celle des noyaux stables.

  Depuis juillet 1999, EUROBALL IV est en exploitation auprès de l'accélérateur VIVITRON* à Strasbourg avec un nouveau calorimètre interne composé de 210 cristaux de germanate de bismuth (BGO). Celui-ci constitue, avec les 239 cristaux de germanium du détecteur, un ensemble qui représente une efficacité de détection de plus de 80 % et permet d'accéder au nombre (multiplicité) de rayonnements gamma émis et à l'énergie totale libérée lors de la désexcitation d'un noyau produit au centre du multidétecteur. Il est ainsi possible d'isoler et donc d'étudier des événements très rares (représentant une fraction de moins de 1 pour 10 000 de la totalité) qui se produisent lors d'une réaction nucléaire.

Le Détecteur EUROBALL © CNRS/IN2P3/IRES. Photo Charles Münch.

  Les expériences menées avec EUROBALL IV s'orientent dans deux directions principales : l'étude des désexcitations rares de noyaux soumis à des conditions extrêmes de rotation, en particulier les noyaux superdéformés (en forme de ballon de rugby), et la détermination de la structure des noyaux dits "exotiques" dont les proportions de neutrons et de protons sont très différentes de celle des noyaux stables.

  Grâce à la pureté de leur structure, les noyaux superdéformés représentent un moyen formidable de tester les modèles nucléaires dans des conditions extrêmes de déformation et de moment angulaire. En effet, lorsqu'il tourne à très grande vitesse, le noyau peut adopter l'apparence d'un ballon de rugby (noyaux superdéformés), mais il récupère très rapidement (en quelques millièmes de milliardièmes de seconde) sa forme initiale quasi-sphérique lors de sa désexcitation. L'une des questions essentielles concerne la compréhension de ce changement brutal de forme du noyau. L'observation des transitions gamma discrètes reliant les états superdéformés et les états quasi-sphériques est indispensable à la détermination expérimentale des propriétés des états superdéformés. En particulier, la connaissance de l'énergie d'excitation et donc de la masse de ces noyaux superdéformés pour une série de noyaux consécutifs ayant soit le même nombre de protons soit le même nombre de neutrons permet l'évaluation de l'intensité d'appariement neutron-proton (formation d'une paire, avec un proton et un neutron). Cela a pu être réalisé avec EUROBALL dans les isotopes de néodyme très déformés.

  Ces transitions de liens discrètes n'ont été mises en évidence que dans quelques noyaux superdéformés et ne représentent en général qu'un faible pourcentage de la désexcitation. La majorité des noyaux apparaît sous la forme d'un quasi-continuum, étudié dans le cas des isotopes de plomb et de mercure et dont l'interprétation est plus complexe.

  D'autres phénomènes sont peu à peu observés. Ainsi, les théories de champ moyen ont prédit que certains noyaux superdéformés pouvaient être le siège de vibrations en forme de poire (vibrations octupolaires). De tels modes de vibrations ont été clairement établis dans un noyau superdéformé de mercure et sont recherchés dans d'autres noyaux tels que les isotopes de plomb et de dysprosium. Des effets d'oscillations en énergie dans les bandes superdéformées ont également été confirmés dans les isotopes de gadolinium et de terbium. Une des explications possibles de ces effets serait la présence d'une nouvelle symétrie mais ce phénomène est encore mal compris. Les propriétés magnétiques des noyaux superdéformés de plomb et de mercure impairs en neutrons sont également étudiées.

  L'utilisation conjuguée d'EUROBALL et de détecteurs annexes (de particules chargées, de neutrons, de fragments de fission...) ouvre un nouveau champ d'investigation : celui de la structure des noyaux " exotiques ". Ainsi, plusieurs expériences ont permis d'observer pour la première fois la structure de noyaux de masses d'environ 100-120 - fragments de fission spontanée ou induite par faisceaux d'ions lourds - riche en neutrons. Les noyaux riches en protons commencent également à être étudiés.

  Différentes expériences cherchent à mettre en évidence pour la première fois des corrélations d'appariement, non plus entre nucléons de même espèce, mais entre proton et neutron, dans les noyaux lourds ayant le même nombre de protons (Z ou numéro atomique) et de neutrons (N). Quant au phénomène de déformation extrême du noyau sous l'action de la rotation, de nouvelles expériences sont prévues pour rechercher des états hyperdéformés correspondant à des noyaux trois fois plus longs que larges, états prédits par les théories mais pas encore observés expérimentalement. Toutes ces expériences constituent des tests très pointus des modèles théoriques de champ moyen et de l'interaction effective nucléon-nucléon.

* Vivitron : accélérateur électrostatique en fonctionnement à Strasbourg depuis 1994. Institut de recherches subatomiques (CNRS-Université Strasbourg 1).