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Large Amplitude Collective Motion and Dissipation in the Ground State and the First Isomeric Wells in the Neutron-Induced Fission of $^{235}$ U

Cette étude emploie la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps pour révéler que la dynamique initiale de la fission induite par neutrons dans l' $^{235}$ U, tant dans le puits fondamental que dans le puits isomérique, est fortement dissipative, présentant des comportements d'asymétrie de masse distincts — une stabilisation rapide dans l'état fondamental contre de grandes oscillations harmoniques dans le puits isomérique — ainsi qu'une émission rare de neutrons.

Auteurs originaux : Ibrahim Abdurrahman, Matthew Kafker, Aurel Bulgac, Ionel Stetcu

Publié 2026-08-11

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Ibrahim Abdurrahman, Matthew Kafker, Aurel Bulgac, Ionel Stetcu

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Le Grand Mélange Atomique

Imaginez l'univers comme une piste de danse géante et chaotique où de minuscules particules s'entrechoquent constamment. Dans le coin de cette piste de danse connu sous le nom de physique nucléaire, les scientifiques tentent de comprendre un mouvement très spécifique et à enjeux élevés : la fission. C'est le moment où un noyau atomique lourd, comme un ballon d'eau bosselé, est frappé par une minuscule particule (un neutron) et finit par se diviser en deux morceaux plus petits. Depuis des décennies, les physiciens sont obsédés par le moment où le ballon éclate réellement — la division elle-même — car c'est à ce moment que l'énergie est libérée et que les nouveaux morceaux naissent.

Cependant, il existe une longue et mystérieuse période d'attente avant que l'éclatement ne se produise. Lorsqu'un neutron frappe un atome d'uranium, le noyau super-lourd qui en résulte ne se divise pas immédiatement. Il reste coincé dans une « vallée » de stabilité, rebondissant pendant un long moment avant de trouver enfin le courage de franchir une colline et de se briser. Imaginez cela comme une bille posée dans un bol ; elle peut s'agiter pendant longtemps avant de trouver la petite faille pour s'échapper. Comprendre ce qui se passe pendant que la bille s'agite dans le bol est crucial, car cela prépare la scène pour toute l'explosion. Si nous ne comprenons pas comment le noyau se comporte pendant qu'il attend, nous ne pouvons pas pleinement comprendre comment il décide de se diviser ou quel type de morceaux il va créer.

La bille qui s'agite : À l'intérieur de la salle d'attente

Cette nouvelle étude plonge au cœur de cette phase de la « salle d'attente » de la fission nucléaire, en examinant spécifiquement le noyau d'uranium-236 (formé lorsqu'un neutron frappe de l'uranium-235). En utilisant une puissante simulation informatique appelée Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Dépendante du Temps (TDDFT), les chercheurs ont observé comment ce noyau se comporte dans deux « bols » ou puits d'énergie différents : le puits profond et stable de l'état fondamental et le puits de l'« isomère » excité, plus superficiel.

Les résultats montrent que le noyau est incroyablement agité. Dans le puits profond de l'état fondamental, le noyau agit comme un danseur frénétique qui oublie rapidement ses premiers pas. Peu importe la façon dont le noyau a commencé — qu'il ait été légèrement écrasé ou étiré — il se stabilise rapidement dans une position centrale calme. La « forme » du noyau devient chaotique mais s'installe dans un rythme régulier, et toute mémoire initiale de la manière dont il a été frappé est rapidement effacée. C'est comme si le noyau disait : « Je me fiche de la façon dont je suis arrivé ici ; je vais juste vibrer au centre jusqu'à ce que je sois prêt à partir. »

L'histoire est très différente dans le puceau de l'isomère, le bol plus superficiel. Ici, le noyau ne se contente pas de se stabiliser ; il commence à osciller. Si le noyau entre dans ce puits avec un certain degré de « déformation asymétrique » (plus précisément, une grande déformation octopolaire), il commence à osciller d'avant en arrière de manière très rythmique, presque musicale. Au lieu d'oublier sa forme, il conserve une asymétrie spécifique, oscillant comme un pendule. C'est une découverte surprenante : alors que l'état fondamental oublie rapidement son passé, le puits de l'isomère peut préserver une « mémoire » spécifique de sa forme pendant longtemps, oscillant avec une période d'environ 960 femtosecondes (soit 0,00000000000000096 seconde).

L'étude révèle également que cette période d'attente est une affaire chaude et désordonnée. Le noyau perd constamment de l'énergie, un processus appelé dissipation, qui transforme son mouvement organisé en chaleur. C'est comme une toupie qui ralentit et se réchauffe en frottant contre la table. Cette forte dissipation signifie que le noyau est peu susceptible de traverser des barrières par effet tunnel (un tour de passe-passe quantique utilisé dans la fission spontanée) lorsqu'il se trouve dans ces puits ; il doit attendre d'atteindre le bord extérieur pour réessayer. De plus, les simulations montrent qu'occasionnellement, le noyau recrache quelques neutrons, comme une canette de soda secouée qui relâche quelques bulles, probablement dû au fait que le noyau heurte ses propres parois en mouvement.

Les chercheurs ont découvert que la façon dont le noyau se comporte lors de ces premières étapes n'est pas un chaos aléatoire mais suit des règles spécifiques. Dans l'état fondamental, c'est un mélange chaotique qui s'équilibre rapidement. Dans le puits de l'isomère, c'est une oscillation harmonique qui peut durer longtemps. Cette différence est énorme car elle suggère que la forme finale des morceaux de la division (qu'ils soient égaux ou inégaux) pourrait être décidée par l'amplitude de l'oscillation dans ce puits d'isomère. Si l'oscillation est assez grande, cela conduit à une division inégale ; si elle ne l'est pas, la division pourrait être égale.

Enfin, cet article ne prétend pas avoir résolu tout le mystère de la fission nucléaire. Il stipule explicitement que ces simulations sont basées sur une approche de « champ moyen », qui est une vision simplifiée du monde quantique. Les auteurs reconnaissent qu'une description complète et parfaite nécessiterait d'inclure des effets quantiques encore plus complexes qu'ils n'ont pas pleinement modélisés. Cependant, en simulant séparément ces deux premières étapes, ils ont fourni le premier regard microscopique sur la façon dont un noyau se comporte pendant qu'il attend de se diviser. Ils ont montré que le noyau n'est pas seulement un passager passif attendant la division ; c'est un système actif, dissipatif et parfois rythmique qui joue un rôle critique dans la détermination du résultat du processus de fission.

Résumé Technique : Mouvement Collectif de Grande Amplitude et Dissipation dans le Puits de l'État Fondamental et du Premier Isomère lors de la Fission Induite par Neutrons de $^{235}$ U

Énoncé du Problème
Les traitements microscopiques actuels de la fission induite, utilisant principalement la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Dépendante du Temps (TDDFT), se sont historiquement concentrés exclusivement sur la dynamique de la barrière de selle externe vers la scission. C'est dans cette phase finale que les propriétés des fragments de fission (FF) primaires sont déterminées. Cependant, après l'absorption d'un neutron de faible énergie par $^{235}$ U pour former $^{236}$ U, le système nucléaire fissionnant (FNS) passe une durée nettement plus longue à évoluer au sein des puits de l'état fondamental et de l'isomère avant d'atteindre la barrière externe. Conformément à l'intuition de Bohr, cette évolution pré-selle implique la formation et la désintégration d'un noyau composé (CN) dont la durée de vie est de plusieurs ordres de grandeur supérieure ( $10^{-18}$ à $10^{-16}$ s) à celle de la phase de selle-à-scission ( $10^{-21}$ s). Malgré l'importance théorique de cette étape, une description entièrement microscopique de l'évolution du FNS au sein de ces puits manquait en raison de l'extrême complexité de la modélisation de la transition d'un état de champ moyen simple vers un noyau composé hautement corrélé.

Méthodologie
Cette étude examine l'évolution séparée du FNS ( $^{236}$ U) dans les puits de l'état fondamental et de l'isomère en utilisant la TDDFT étendue aux systèmes superfluides. Les simulations sont restreintes à des formes à symétrie axiale, définies par les paramètres de déformation quadripolaire ( $Q_{20}$ ) et octupolaire ( $Q_{30}$ ).

Conditions Initiales : Plusieurs trajectoires ont été préparées à diverses énergies d'excitation dans la surface d'énergie potentielle (PES) des puits de l'état fondamental et de l'isomère. Ces états initiaux représentent des noyaux « froids » présentant des déformations distinctes, portant l'empreinte initiale de l'absorption du neutron.
Simulation : Le système est fait évoluer en temps pour observer la relaxation du mouvement collectif, les fluctuations de forme et l'émission de particules.
Métriques : L'étude analyse l'énergie de flux collectif ( $E_{flow}$ ), l'évolution des moments multipolaires ( $Q_{20}$ et $Q_{30}$ ), la redistribution des nombres d'occupation des particules uniques ( $\sigma_1(t)$ ), et l'émission de neutrons dépendante du temps.

Résultats Clés

Dissipation Forte : La dynamique dans les puits de l'état fondamental et de l'isomère est fortement dissipative, reflétant le comportement observé lors de la phase de selle-à-scission. L'énergie de flux collectif décroît rapidement de moins de 500 keV à environ 100 keV, indiquant que le système se thermalise rapidement après l'absorption du neutron.
Évolution Divergente de l'Asymétrie de Masse :
- Puits de l'État Fondamental : L'asymétrie de masse initiale et les paramètres de déformation s'effondrent rapidement vers le centre du puits. Le système présente des fluctuations chaotiques autour d'une valeur centrale, « oubliant » efficacement ses conditions de déformation initiales.
- Puits de l'Isomère : Bien que le moment quadripolaire ( $Q_{20}$ ) se comporte de manière similaire à l'état fondamental, le moment octupolaire ( $Q_{30}$ ) présente un comportement distinct. Si le $Q_{30}$ initial dépasse une valeur critique, il subit des oscillations de grande amplitude, quasi harmoniques, avec une période de $T \approx 960 \pm 70$ fm/c. Par conséquent, l'asymétrie de masse générée dans le puits isomère persiste pendant une longue durée, contrairement à la randomisation rapide observée dans l'état fondamental.
Émission de Neutrons : L'étude observe une émission de neutrons de faible probabilité dans les deux puits. Le profil d'émission comprend un saut initial rapide (probablement dû à la suppression des contraintes de déformation) suivi d'un taux d'émission approximativement linéaire, pouvant résulter de la diffusion de neutrons sur les parois mobiles du FNS.
Dynamique Non-Markovienne : L'évolution des nombres d'occupation des particules uniques ( $\sigma_1(t)$ ) confirme le caractère non-markovien du processus de fission, les probabilités d'occupation changeant d'environ 20 à 25 % durant l'évolution.

Signification et Revendications
Les auteurs affirment que ce travail constitue la première démonstration entièrement microscopique de la nature dissipative de la dynamique de fission au sein de l'état fondamental et des puits isomères. L'étude souligne une dichotomie surprenante : alors que la dynamique de l'état fondamental efface rapidement les conditions initiales, le puits de l'isomère peut soutenir des oscillations harmoniques de grande amplitude dans l'asymétrie de masse si des seuils initiaux spécifiques sont atteints.

L'article postule que le rapport entre les événements de fission asymétrique et symétrique pourrait servir d'observable expérimentale pour sonder la force des fluctuations de $Q_{30}$ au sein du puits de l'isomère — une étape de la fission autrement inaccessible à une mesure directe. De plus, les résultats suggèrent que le système conserve une « mémoire » de sa formation dans le puits de l'isomère sous certaines conditions, contrastant avec la perte totale de mémoire hypothétisée pour l'étape finale du noyau composé.

Les auteurs restent modestes quant à la portée de leurs conclusions, notant que les résultats actuels sont basés sur la TDDFT de champ moyen. Ils reconnaissent qu'une description complète du noyau composé, impliquant la perte de mémoire et la transition vers un état quantique hautement complexe, nécessite probablement des extensions au-delà du champ moyen, telles que la Méthode des Coordonnées Génératrices (GCM) ou des traitements d'ensembles de déterminants de Slater, qui ne sont pas encore pleinement implémentés pour cette étape temporelle spécifique.

Le Grand Mélange Atomique

La bille qui s'agite : À l'intérieur de la salle d'attente

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