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Ibrahim Sulai et Peter Mueller devant un piège laser. Crédit : Argonne Laboratory
L'8He, ou hélium 8, est un noyau radioactif, de demi-vie de 118 millisecondes, qui décroît par radioactivité bêtabêta moins (émission d'un électron). Pour cette raison, il n'existe pas à l'état naturel sur Terre et il faut le synthétiser dans des accélérateurs de particules. C'est ce que savent faire les chercheurs français du Grand Accélérateur National d'IonsIons Lourds (Ganil), installé à Caen. Peter Mueller et son étudiant thésard Ibrahim Sulai (qui travaillent au laboratoire d'Argonne aux Etats-Unis) ont réussi à piéger suffisamment de noyaux d'hélium 8 d'un faisceau produit au Ganil pour déterminer plus précisément la structure en couches de ce noyau hors norme.
Parmi les noyaux liés connus actuellement, celui de l'hélium 8 possède le plus grand rapport du nombre de neutronsneutrons sur celui de protonsprotons (N/Z = 3). Déterminer précisément sa structure permettrait de départager différents modèles nucléaires dont les prédictions divergent à mesure que l'on considère des noyaux de plus en plus riches en neutrons. Ce noyau est dit exotiqueexotique car il développe une structure inhabituelle, un cœur d'4He (c'est la particule alpha) entouré de quatre neutrons.
Différents isotopes d'hélium tous caractérisés par un noyau d'hélium 4 avec deux neutrons (bleus) et deux protons (rouges). Crédit : Argonne Laboratory
En 2004, les chercheurs d'Argonne avaient déjà réussi à étudier un autre noyau exotique. Il s'agissait de l'hélium 6 et ils avaient découvert que les deux neutrons supplémentaires s'organisaient pour former une sorte d'halo autour d'un cœur d'hélium 4 mais avec toutefois une nette tendance à créer le plus souvent une structure asymétriqueasymétrique (voir la figure). Dans le cas de l'hélium 8, un phénomène semblable, quoique plus symétrique, vient d'être observé et là aussi on peut se faire une idée de la structure de l'hélium 8 avec le même schéma.
Ces noyaux d'hélium 8 si instables sont fabriqués en faible quantité dans des réactions nucléairesréactions nucléaires produites par des faisceaux de particules. Au Ganil, on peut par exemple les obtenir en bombardant une cible de carbonecarbone avec un faisceau d'ions stables de carbone 13, accélérés à 975 millions d'électrons-voltsélectrons-volts. Les chercheurs ont d'abord filtrer le faisceau d'ions obtenus en piégeant uniquement des noyaux d'hélium 8 avec une série de six laserslasers formant un piège magnéto-optique.
De la spectroscopie atomique pour étudier le noyau
Une fois récupérés suffisamment de noyaux, on peut déterminer plus précisément leur structure en les illuminant avec une paire de faisceaux laser dont la fréquencefréquence est réglable. Il devient alors possible de faire de la spectroscopie d'une façon similaire à celle que l'on sait faire avec les niveaux d'énergieénergie électroniques des atomesatomes. On détermine la fréquence de résonancerésonance correspondant à une transition quantique atomique mais comme celle-ci dépend de la répartition des charges dans le noyau on peut remonter à cette dernière.
Les mesures sont ensuite comparées avec les prédictions théoriques faites par Gordon DrakeDrake et ses collaborateurs de l'Université de Windsor dans l'Ontario au Canada. C'est ainsi que la structure nucléaire peut être déterminée et mise en relation avec les modèles de forces nucléaires entre les nucléonsnucléons dans des noyaux exotiques.
Les chercheurs d'Argonne envisagent actuellement la constructionconstruction du Facility for Rare IsotopeIsotope Beams (FRIB), une source de noyaux exotiques qui permettrait par exemple de produire mille fois plus de noyaux d'hélium 8 qu'au Ganil. Cela permettrait aux chercheurs du monde entier de continuer à explorer le domaine encore mal connu des noyaux exotiques.
