Singular observation of shape and spin hindrance in metastable nuclear decay of $^{197}$Au

Cet article examine la possibilité qu’un même isomère nucléaire, c’est-à-dire un état excité métastable, présente simultanément deux mécanismes de ralentissement de sa désexcitation électromagnétique : une différence de forme entre les états initial et final et une forte variation du moment angulaire. Habituellement observés séparément, ces mécanismes pourraient se conjuguer dans le noyau stable d’or 197, situé à proximité du noyau doublement magique de plomb 208, où coexistent configurations individuelles et déformations collectives. Deux expériences ont été réalisées à l’accélérateur ATLAS d’Argonne. Des faisceaux de bismuth 209 à 1 450 MeV et de plomb 207 à 1 430 MeV ont bombardé une cible épaisse d’or. Les rayonnements gamma ont été enregistrés en coïncidence par les 100 détecteurs au germanium du dispositif Gammasphere. Plusieurs séquences alternant irradiation et interruption du faisceau ont permis d’explorer différentes échelles temporelles, notamment des cycles de deux secondes d’irradiation suivies de huit secondes d’arrêt. L’analyse associe l’étude des coïncidences gamma, les bilans d’intensité corrigés de la conversion interne et les distributions temporelles. Elle est complétée par des calculs de configurations déformées avec Ultimate Cranker et des calculs du modèle en couches avec KSHELL et l’interaction KHHE. Le résultat principal est l’identification d’un nouvel état métastable à 2 102 keV, auquel les auteurs proposent d’attribuer un spin-parité de 29/2⁺. Sa demi-vie est supérieure à 10 secondes, sans avoir pu être déterminée précisément. Cet état se désexcite par une transition observée de 266,6 keV vers le niveau à 1 836 keV, de spin-parité 21/2⁺, ainsi que par une transition non observée de 5,5 keV vers le niveau à 2 097 keV, de spin-parité 25/2⁺. Cette seconde branche est déduite de l’observation du rayonnement de 261,1 keV qui lui succède. La demi-vie du niveau à 1 836 keV est mesurée à 8,8 ± 0,6 nanosecondes. Le bilan d’intensité favorise nettement une multipolarité électrique E4 pour la transition de 266,6 keV et conduit à proposer une multipolarité E2 pour celle de 5,5 keV. Cette dernière serait soumise à une conversion interne extrêmement importante, ce qui expliquerait l’absence d’observation directe de son rayonnement gamma. Les intensités totales relatives de ces deux branches sont respectivement de 102 ± 6 et de 7 ± 1 : elles constituent donc deux voies de désexcitation concurrentes, mais de poids très différents. La limite inférieure de demi-vie implique, pour la transition E2, une probabilité réduite inférieure à 6,2 × 10⁻⁹ unités de Weisskopf, révélant une inhibition exceptionnelle. Pour la branche E4, seule une borne supérieure de 107 unités de Weisskopf est obtenue ; son éventuel renforcement ou affaiblissement reste donc indéterminé. Les auteurs interprètent cette combinaison comme la coexistence d’une inhibition liée à la forme et d’une inhibition liée au spin. Les calculs prédisent pour l’état 25/2⁺ une forme modérément aplatie, avec un paramètre de déformation de 0,13. Le modèle en couches reproduit approximativement les énergies, à environ 100 à 200 keV près, mais prédit pour la transition E2 issue de l’isomère une probabilité réduite de 0,6 unité de Weisskopf, très supérieure à la borne expérimentale. Il ne rend donc pas compte de l’inhibition observée. Cette étude constitue ainsi un test particulièrement exigeant pour les modèles associant structure en couches, mélange de configurations et déformation collective. Ses principales limites sont l’absence de mesure précise de la demi-vie, l’identification indirecte de la transition de 5,5 keV et le caractère encore provisoire de certaines attributions. Des mesures sur des durées plus longues, ainsi que des analyses par spectrométrie de masse, sont prévues pour préciser cette interprétation.

Quand le noyau d’or ralentit sa désexcitation de deux façons

L’or ne réserve pas ses surprises à la chimie ou à la joaillerie. Au cœur de son noyau, certains états excités peuvent conserver leur énergie bien plus longtemps qu’attendu. Dans l’étude « Singular observation of shape and spin hindrance in metastable nuclear decay of 197Au », S. K. Tandel, D. Rathore, M. Hemalatha, Subhrajit Sahoo, P. C. Srivastava, P. Chowdhury et leurs collaborateurs explorent un cas singulier : un même état métastable pourrait présenter deux mécanismes distincts de ralentissement de sa désexcitation électromagnétique.

Leurs résultats mettent en évidence un nouvel isomère nucléaire dans l’or 197. Ils suggèrent que sa désexcitation est freinée à la fois par une différence de forme entre états nucléaires et par une importante variation du moment angulaire. Cette interprétation reste à préciser, mais elle pose déjà un défi aux modèles théoriques.

Deux obstacles pour libérer l’énergie nucléaire

Un isomère nucléaire est un état excité métastable : le noyau possède un surplus d’énergie, mais tarde à le libérer. Cette longévité peut venir des propriétés des états entre lesquels s’effectue la transition. Une différence de forme peut rendre leur connexion difficile. Une forte variation du spin, c’est-à-dire du moment angulaire, peut également ralentir la désexcitation.

Ces mécanismes sont habituellement observés séparément. L’intérêt de cette étude est de rechercher leur coexistence dans un même isomère, à travers deux voies de désexcitation concurrentes. L’or 197 constitue un terrain particulièrement intéressant : proche du plomb 208, un noyau dit doublement magique, il se situe dans une région où configurations individuelles et déformations collectives peuvent coexister.

Une expérience qui observe aussi les silences du faisceau

Deux expériences ont été réalisées à l’accélérateur ATLAS d’Argonne. Des faisceaux de bismuth 209 à 1 450 MeV et de plomb 207 à 1 430 MeV ont bombardé une cible épaisse d’or. Les rayonnements gamma ont été enregistrés en coïncidence par les 100 détecteurs au germanium du dispositif Gammasphere, afin de reconstituer les enchaînements de transitions nucléaires.

Pour explorer différentes échelles temporelles, les chercheurs ont alterné irradiation et interruption du faisceau. Certains cycles comportaient deux secondes d’irradiation, puis huit secondes d’arrêt. Ces périodes sans faisceau permettent de rechercher des émissions retardées. L’analyse combine les coïncidences gamma, les distributions temporelles et les bilans d’intensité corrigés de la conversion interne, un processus où l’énergie nucléaire est transmise à un électron plutôt qu’émise sous forme de photon gamma.

Un nouvel état métastable et deux voies de sortie

Le résultat central est l’identification d’un état à 2 102 keV, auquel les auteurs proposent d’attribuer un spin-parité de 29/2⁺. Sa demi-vie dépasse dix secondes, sans avoir pu être mesurée précisément. Deux branches lui permettraient de perdre son énergie :

• Une transition observée de 266,6 keV vers le niveau à 1 836 keV, de spin-parité 21/2⁺.
• Une transition de 5,5 keV vers le niveau à 2 097 keV, de spin-parité 25/2⁺, déduite indirectement du rayonnement de 261,1 keV qui lui succède.

Ces deux voies ont des poids très différents : leurs intensités totales relatives sont respectivement de 102 ± 6 et de 7 ± 1. Le niveau à 1 836 keV possède, lui, une demi-vie mesurée de 8,8 ± 0,6 nanosecondes, bien plus courte que celle du nouvel isomère.

Une transition presque invisible, mais particulièrement révélatrice

Le bilan d’intensité favorise nettement une multipolarité électrique E4 pour la transition de 266,6 keV et conduit à proposer une multipolarité E2 pour celle de 5,5 keV. Cette dernière subirait une conversion interne extrêmement importante, ce qui expliquerait pourquoi son photon gamma n’a pas été observé directement.

La limite inférieure de demi-vie impose à cette transition E2 une probabilité réduite inférieure à 6,2 × 10⁻⁹ unités de Weisskopf. Cette unité fournit un repère pour comparer les forces des transitions nucléaires : une valeur aussi faible révèle une inhibition exceptionnelle. Pour la branche E4, seule une borne supérieure de 107 unités de Weisskopf est obtenue. Elle ne permet pas de déterminer si cette transition est renforcée ou affaiblie par rapport au repère choisi.

Pourquoi les modèles peinent à suivre

Les auteurs interprètent ces résultats comme la coexistence d’une inhibition liée à la forme et d’une inhibition liée au spin. Les calculs de configurations déformées réalisés avec Ultimate Cranker prédisent notamment, pour l’état 25/2⁺, une forme modérément aplatie, avec un paramètre de déformation de 0,13.

Les calculs du modèle en couches, effectués avec KSHELL et l’interaction KHHE, reproduisent approximativement les énergies, à environ 100 à 200 keV près. Mais ils prédisent une probabilité réduite de 0,6 unité de Weisskopf pour la transition E2 issue de l’isomère, très supérieure à la borne expérimentale. Reproduire les niveaux d’énergie ne suffit donc pas à expliquer la dynamique de leur désexcitation.

Une interprétation prometteuse à consolider

La portée de cette étude tient autant à son observation qu’aux questions qu’elle ouvre. La demi-vie exacte reste inconnue, la transition de 5,5 keV est identifiée indirectement et certaines attributions demeurent provisoires. Des mesures sur des durées plus longues et des analyses par spectrométrie de masse sont prévues. Elles devront préciser comment structure en couches, mélange de configurations et déformation collective se conjuguent pour retenir aussi longtemps l’énergie de ce noyau d’or.