Etude du noyau peu lié de 26F pour sonder l’évolution des forces nucléaires à l’approche de la limite de liaison nucléaire

Study of the weakly bound nucleus of 26F to probe the nuclear forces close to the drip-lines

• Auteur / Autrice : Alexandre Lepailleur
• Direction : Olivier Sorlin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Constituants élémentaires et physique théorique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isomérie

Décroissance radioactive

Modèles en couches (physique nucléaire)

Forces nucléaires (physique)

Structure nucléaire

Physique nucléaire

Résumé

Les forces nucléaires jouent un rôle très important dans l’évolution de la structure nucléaire ainsi que pour fixer les limites de liaison nucléaire. L’étude des noyaux riches en neutrons est primordiale pour déterminer ces limites et pour expliquer la disparition et la création de nouvelles fermetures de couches loin de la stabilité. Nous avons étudié le noyau peu lié et riche en neutrons de 26F afin de sonder l’interaction πd5/2×υd3/2. En effet, ce noyau peut être modélisé comme un cœur fermé de 24O auquel s’ajoutent un proton fortement lié en πd5/2 interagissant avec un neutron non lié en νd3/2. Les états ainsi formés sont les états J = 1, 2, 3, 4 de parité positive. Leur détermination permettrait de quantifier l’intensité de l’interaction πd5/2×υd3/2. Parmi ces états, celui de spin J = 1 (état fondamental) et J = 2 (premier état excité) étaient déjà connus. La recherche de l’état J = 4 a fait l’objet de recherches au sein de notre groupe à GANIL au travers une expérience de décroissance β. Le noyau de 26F a été produit par fragmentation d’un faisceau radioactif de 36S et sélectionné à l’aide du spectromètre LISE. Ces noyaux ont ensuite été implantés dans un détecteur de Silicium à deux faces, chacune composée de seize bandes verticales ou horizontales. Ce détecteur a permis de réaliser une corrélation spatiale et temporelle entre les ions implantés et leurs produits de décroissance (rayonnements β et γ). Nous avons alors pu observer la transition γ M3 retardée de l’état isomérique J = 4 vers l’état fondamental J = 1, obtenant ainsi l’énergie d’excitation de cet état isomérique à 643. 4 keV. Nous avons également déterminé plusieurs nouveaux états dans les noyaux de 25-26Ne peuplés par la décroissance β de l’état fondamental et isomérique du 26F. Nous avons extrait un taux isomérique d’environ 40% et ainsi ajusté la masse précédemment déterminée du 26F en fonction de ce taux, donnant ΔM = 270 (50) keV. L’état J = 3 a été peuplé et étudié à GSI lors d’une expérience de retrait d’un proton à partir d’un faisceau radioactif de 27Ne, produisant ainsi le 26F dans ses différents états parmi lesquels l’état non lié J = 3 décroissant selon la voie 25F + n. Les ions ont été identifiés et suivis à l’aide de détecteurs à fibres tandis que les neutrons ont été détectés dans LAND. Nous avons pu extraire l’énergie d’excitation de l’état J = 3, complétant ainsi le quadruplet d’états J = 1 – 4. Nous avons ensuite comparé les énergies de liaison expérimentales de ces états J = 1 – 4 aux résultats de calculs issus du modèle en couche et de la théorie Coupled Clusters afin de tester le pouvoir de prédiction de ces modèles loin de la stabilité où une forte asymétrie entre l’énergie de liaison des protons et des neutrons existe. Le modèle en couche prédit des états globalement plus liés que ceux trouvés expérimentalement, tandis que les calculs issus de la théorie Coupled Clusters incluant les forces à trois corps et le couplage au continuum sont en très bon accord avec les énergies de liaison expérimentales. Le noyau de 28Ne faisait partie du cocktail de noyaux radioactifs produits lors de l’expérience de décroissance β menée au GANIL. Même si sa décroissance β était déjà en partie connue, son étude nous a apporté de nouvelles informations. Combinée à une expérience de décroissance γ en vol réalisée récemment à NSCL, nous avons pu déterminer deux nouveaux états J = 3 et J = 4, provenant du même couplage πd5/2×υd3/2 que dans le noyau de 26F. Nous avons alors cherché à déterminer s’il existait une dépendance systématique des prédictions du modèle en couche avec l’asymétrie entre l’énergie de liaison des protons et des neutrons. Pour cela nous avons comparé les énergies de liaison expérimentales des états J = 1 - 4 du 28Na et ceux déjà connus du 30Al avec les calculs issus des modèles USDA et USDB. Nous avons trouvé un écart systématique entre les énergies de liaison expérimentales et celles calculées par le modèle en couche pour les isotones N=17 : les états sont prédits trop liés pour le 26F qui se trouve à la limite de liaison nucléaire, tandis qu’ils ne sont pas prédits suffisamment liés pour le 30Al qui se situe proche de la stabilité. Cela suggère que l’interaction proton-neutron effective utilisée dans le modèle en couche ne prend pas correctement en compte l’influence de l’asymétrie entre l’énergie de liaison des protons et des neutrons, ce qui est essentiel pour modéliser les noyaux de la vallée de stabilité jusqu’à la limite de liaison nucléaire.

Nuclear forces play a decisive role to account for the evolution of the nuclear structure and to fix the limits of particle stability. The study of neutron-rich nuclei is particularly important to determine these limits and to reveal the disappearance or emergence of new shell gaps far from stability. We studied the weakly bound neutron-rich 26F in order to probe the πd5/2×υd3/2 interaction. Indeed this nucleus can be modeled as a closed core of 24O on top of which a single deeply bound proton in πd5/2 interacts with an unbound neutron in νd3/2. This coupling gives rise to the quadruplet of states J = 1, 2, 3, 4 of positive parity. Their determination would allow us to quantify the intensity of the πd5/2×υd3/2 interaction. Among these states, the J = 1 (ground state) and J = 2 (first excited state) were already known. The search for the J = 4 state has been investigated by our group at GANIL through a β-decay experiment. The nuclei of 26F were produced by the fragmentation of a 36S beam and selected using the LISE spectrometer. They were then implanted in a Double Sided Stripped Silicon Detector that gave us the opportunity to achieve spatial and time correlations between the implanted ions and the products of the decays (β and γ rays). Moreover we were able to observe the delayed M3 γ transition from the isomeric J = 4 state to the J = 1 ground state and thus obtained the excitation energy of 643. 4 keV for this isomeric state. We also determined several new states in 25-26Ne that were fed by the β-decay of the ground and isomeric state of 26F. We extracted an isomeric ratio of about 40% and adjusted the previously determined mass of 26F according to this value, leading to ΔM = 270 (50) keV. The J = 3 state has been populated ad studied at GSI by means of a one proton knock-out reaction from a radioactive 27Ne beam to produce the 26F in its unbound states. When the 26F is produced in its unbound state J = 3, it decays in 25F + n. The ions were tracked and identified using fiber detectors and the neutrons were detected inside the LAND detector. We were able to extract the excitation energy of the J = 3 state, hereby completing the quadruplet of state J = 1 – 4. We then compared the experimental binding energies of the J = 1 – 4 states to nuclear shell model and the Coupled Cluster theory in order to test the predictability of these models far from stability, where a large proton-to-neutron binding energy asymmetry is present. While shell model predictions over bind the energy of the states as compared to experiment, coupled-cluster calculations including three-body forces and coupling to the particle continuum are in excellent agreement with experiment. The 28Ne nucleus was a byproduct of the β-decay experiment performed at GANIL. Even if partly known, its beta-decay study has revealed new information. Combined with a recent in-beam γ-ray spectroscopy of 28Na made at NSCL, we have been able to determine two new J = 3 and 4 states belonging to the same πd5/2×υd3/2 coupling than in the 26F nucleus. To see whether there is a systematic dependence of the SM calculations with the proton-to-neutron binding energy, we compared the experimental binding energies of the J = 1 - 4 states in 28Na and the ones already known in 30Al to the USDA and USDB calculations. We find a systematic deviation between experimental and theoretical binding energies along the N=17 isotones: while the states are calculated too bound in 26F (which lies at the drip line), they are not enough bound in 30Al (which lies close to stability). This suggests that the effective proton-neutron interaction used in the shell model approach does not take into account properly the effect of proton-to-neutron binding energy that is essential to model nuclei from the valley of stability to the drip lines.