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Noyau de nickel 78 : exotique et doublement magique


​Une collaboration internationale conduite par le CEA-Irfu et l'Institut Riken (Japon) démontre pour la première fois le caractère « doublement magique » du noyau radioactif de nickel 78, très excédentaire en neutrons par rapport à ses isotopes stables. L'expérience menée à Riken a notamment été rendue possible grâce au dispositif Minos développé à l'Irfu.
Publié le 3 mai 2019

Les atomes contiennent un noyau organisé en couches de nucléons (protons et neutrons) dont les niveaux d'énergie sont régis par les lois de l'interaction forte. Pour quelques noyaux dits magiques, certaines couches sont complètement remplies et comptent un nombre « magique » de nucléons (2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126). Ces noyaux remarquables sont plus stables que les autres et l'énergie de leur premier niveau excité est aussi logiquement plus élevée que celle des autres noyaux, signant leur caractère magique.

Qu'en est-il des noyaux exotiques, très riches ou très déficitaires en neutrons, qui sont radioactifs (exotiques) ? Les physiciens cherchent à savoir si les propriétés associées aux nombres magiques connus pour les noyaux non radioactifs sont conservées et s'il en apparaît d'autres, associés à de nouveaux nombres magiques, aujourd'hui inconnus.

Pour en savoir plus, la collaboration Seastar (Shell Evolution And Search for Two-plus energies at the RIBF) a utilisé les faisceaux de noyaux exotiques les plus intenses du monde et réalisé la première spectroscopie gamma d'une série de noyaux, dont le nickel 78 (78Ni) qui compte 28 protons et 50 neutrons, soit 14 neutrons de plus que le dernier isotope stable du nickel. Elle a pu déduire de ces mesures les preuves de la nature « doublement magique » de 78Ni, à la fois vis-à-vis du nombre de protons et du nombre de neutrons.


Les noyaux magiques sont caractérisés par une énergie élevée de leur premier état excité 2+ qui signe leur grande stabilité. Ainsi, les « pics » des noyaux doublement magiques dominent-ils : 4He, 16O, 40,48Ca et 208Pb, parmi les noyaux stables, et 24O, 68Ni et 132Sn, parmi les noyaux radioactifs. 78Ni a désormais rejoint ce dernier club très fermé !


Comment les chercheurs ont-ils procédé ? En bombardant une cible d'hydrogène avec un faisceau de noyaux de cuivre 79 ou de zinc 80, ils ont induit des réactions nucléaires produisant du nickel 78 et des protons. Certains noyaux 78Ni étant portés dans un état excité, ils ont pu étudier leur désexcitation via leur émission de rayons gamma.

Or, comme il n'est possible de produire que quelques noyaux de 79Cu ou de 80Zn par seconde, il a fallu développer un dispositif capable d'en tirer le meilleur parti possible. Minos (Magic Numbers Off Stability) combine ainsi une cible épaisse d'hydrogène de 10 à 15 cm d'épaisseur avec une « chambre à projection temporelle » qui reconstruit les trajectoires des protons produits dans la cible avec une grande précision, grâce à la technologie Micromegas développée au CEA-Irfu.

L'énergie du premier état excité 2+ varie en fonction du nombre de neutrons du nickel. L'étoile rouge correspond au nickel 78 pour lequel l'énergie de 2+ est particulièrement élevée, ce qui prouve le caractère magique du noyau. Les prévisions de différents modèles dont les calculs QRPA menés par le CEA-DAM sont conformes à cette évolution. 

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