Le « gamma bump » de la fission nucléaire élucidé : une expérience au GANIL lève le voile sur un mystère vieux de 50 ans

Comment l'expérience a fonctionné

L'équipe a bombardé une cible de béryllium‑9 avec un faisceau d'ions d'uranium‑238, créant ainsi des noyaux de curium‑247 qui entrent en fission. Pour capturer à la fois l'identité de chaque fragment de fission et son émission de rayons gamma, ils ont couplé le spectromètre magnétique VAMOS++ — qui identifie la masse et la charge de chaque fragment — avec le réseau de détecteurs gamma PARIS. Cela a permis l'identification simultanée, événement par événement, de chaque fragment et de son spectre gamma à haute énergie .

Ce qu'ils ont découvert

Les études antérieures ne pouvaient mesurer le « gamma bump » qu'à partir de sources mélangées ou d'isotopes individuels. Cette expérience est la première à fournir une identification isotopique de l'excès sur de nombreux fragments de fission riches en neutrons en une seule mesure . Les données montrent que l'intensité du pic gamma varie considérablement d'un isotope à l'autre, en fonction de l'excès de neutrons et de la structure de la couche nucléaire près du noyau doublement magique étain‑132 .

L'origine physique : la résonance dipolaire pygmée

Des calculs théoriques indiquent qu'au moins une partie de l'excès provient de la résonance dipolaire pygmée (PDR) — un mode dipolaire mou dans lequel la couche externe riche en neutrons (peau de neutrons) oscille par rapport au cœur riche en protons . L'intensité de la PDR se situe en dessous de la résonance dipolaire géante et est particulièrement prononcée dans les noyaux éloignés de la vallée de stabilité . Cette connexion donne un accès expérimental direct aux propriétés de la PDR dans des noyaux riches en neutrons à vie courte qui ne peuvent pas être étudiés par des réactions conventionnelles induites par des photons ou des particules .

Implications pour la modélisation des réacteurs nucléaires

Le « gamma bump » contribue à une quantité non négligeable d'émission de photons à haute énergie dans la fission. Les calculs des réacteurs pour le dépôt de chaleur, l'échauffement gamma dans les matériaux de structure et la conception des blindages reposent sur des spectres de rayons gamma précis issus de la fission . La nouvelle cartographie isotopique fournit une base plus solide et physiquement fondée pour la composante gamma dans les bibliothèques de données nucléaires évaluées, ce qui pourrait améliorer les simulations de physique des réacteurs et les marges de sécurité .

Un nouvel outil pour étudier les noyaux exotiques

L'expérience démontre que les réactions de fission peuvent servir d'outil polyvalent pour peupler simultanément de nombreux noyaux riches en neutrons et étudier leur PDR par désintégration gamma . Cette approche ouvre une nouvelle voie pour étudier l'épaisseur de la peau de neutrons, le comportement de l'énergie de symétrie et les excitations dipolaires collectives dans les noyaux exotiques — des quantités également importantes pour comprendre la croûte des étoiles à neutrons et la voie de la nucléosynthèse par processus r .

Précautions et prochaines étapes

Les résultats publiés proviennent d'une seule expérience, et l'attribution théorique à la PDR repose sur une comparaison avec des calculs de structure nucléaire. Bien que les preuves soient solides, des expériences supplémentaires sur différents systèmes de fission et des mesures directes (γ,γ′) sur les mêmes isotopes sont nécessaires pour confirmer la fraction exacte de la PDR dans le pic et pour exclure d'autres contributions telles que la queue statistique de la résonance dipolaire géante ou les transitions M1 .