Pour la première fois, une équipe de recherche a produit avec succès l'un des isotopes les plus riches en neutrons, Hydrogène-6, dans une expérience de diffusion d'électrons.
L'expérience à l'installation du spectromètre de l'accélérateur de particules de Maypie MICROTRON (MAMI) a été un effort conjoint parmi la collaboration A1 à l'Institut de physique nucléaire de l'Université de Johannes Gutenberg Maypin (JGU) et des scientifiques de la Chine et du Japon. L'équipe présente une nouvelle méthode pour étudier les noyaux légers riches en neutrons et remet en question notre compréhension actuelle des interactions multi-nucléons.
« Cette mesure n'a pu être effectuée que grâce à la combinaison unique de l'excellente qualité du faisceau d'électrons Mami et des trois spectromètres haute résolution de la collaboration A1 », a souligné le professeur Josef Pochodzalla de l'Institut JGU de physique nucléaire. Des chercheurs de l'Université Fudan à Shanghai en Chine ainsi que de l'Université de Tohoku Sendai et de l'Université de Tokyo au Japon ont été impliqués dans l'expérience.
Le travail expérimental a été dirigé par une étudiante doctorale Tianhao Shao et a été publiée dans Lettres d'examen physique.
Limites de la structure nucléaire dans les systèmes extrêmement riches en neutrons
L'une des questions les plus fondamentales de la physique nucléaire est le nombre de neutrons liés dans un noyau atomique avec un nombre donné de protons. Pour l'hydrogène isotopique fondamental, qui ne contient qu'un seul proton, plusieurs isotopes très riches en neutrons de ⁴h à ⁷h ont été observés au-delà du deutéron et du triton bien connu.
Les isotopes d'hydrogène extrêmement lourds ⁶h – consistent d'un proton et de cinq neutrons – et ⁷h – avec un neutron de plus – ont jusqu'à présent les rapports neutrons / proton les plus élevés. Ce sont des systèmes uniques pour répondre à cette question. Cependant, les données expérimentales sur ces noyaux exotiques sont rares et les résultats restent controversés. En particulier, il y a un débat de longue date sur la question de savoir si l'énergie de l'état fondamental de ⁶h est faible ou élevée.
Nouvelle méthode pour générer de l'hydrogène-6 dans l'expérience de collaboration A1
Avec les scientifiques chinois et japonais impliqués, la collaboration A1 a développé une nouvelle approche pour produire ⁶h. Dans cette méthode, un faisceau d'électrons avec une énergie de 855 mégaelectronvolts (MEV) impose sur une cible ⁷li, produisant ⁶h via un processus en deux étapes: d'abord, un proton dans le noyau lithium est excité par l'interaction avec l'électron et se désintègre rapidement dans un neutron et un pion chargé positivement.
Si ce neutron transfère par la suite son énergie à un autre proton dans le noyau, il peut former l'isotope d'hydrogène riche en neutrons ⁶h avec le noyau résiduel, tandis que la pion et le proton quittent le noyau et peuvent être détectés simultanément avec l'électron dispersé en utilisant trois spectromètres magnétiques.
Pour atteindre un taux de production suffisant pour ce processus rare, une plaque de lithium de 45 millimètres de long et 0,75 millimètre a été traversée par le faisceau d'électrons le long du côté de 45 millimètres de long. Ceci est très inhabituel, car les expériences de diffusion d'électrons utilisent généralement des cibles très minces le long de l'axe du faisceau, le faisceau frappant une large surface perpendiculaire à sa direction de propagation.
Cette configuration spéciale a été rendue possible par l'excellente qualité de faisceau de Mami, en particulier par le faisceau d'électrons extrêmement focalisé et stable. Un défi supplémentaire consistait à gérer le lithium lui-même, car le matériau est très chimiquement réactif, mécaniquement fragile et sensible à la température.
Au cours d'une campagne de mesure de quatre semaines, environ un événement par jour a été observé, comme il avait été estimé. C'était l'une des rares expériences de MAMI dans lesquelles les trois spectromètres à haute résolution dans la salle expérimentale A1 ont été utilisés simultanément en mode coïncidence afin que trois particules puissent être détectées en même temps. Cette configuration complexe a permis un niveau de précision qui n'avait jamais été atteint auparavant, tout en maintenant un fond extrêmement faible.
La nouvelle mesure a fourni un signal clair de ⁶H avec une énergie à l'état fondamental très faible, indiquant une interaction plus forte entre les neutrons en ⁶h que prévu à partir de calculs théoriques récents. Ce résultat remet donc en question notre compréhension des interactions multunucléons dans des systèmes très riches en neutrons.
