⚛️ théorie nucléaire

Contribution of incomplete fusion to the evaporation residue cross sections in the $^{30}$ Si $+^{186}$ W reaction

Cette étude emploie le modèle du système dinucléaire pour démontrer que, tandis que la fusion complète domine la formation de résidus d'évaporation dans la réaction $^{30}$ Si+ $^{186}$ W à des énergies plus basses, la fusion incomplète via l'émission de particules $\alpha$ devient la source principale des isotopes du Rn à des énergies plus élevées ( $E_{c.m.} > 128$ MeV), expliquant ainsi avec succès les sections efficaces totales de résidus d'évaporation mesurées.

Auteurs originaux : Bakhodir Kayumov, Avazbek Nasirov

Publié 2026-10-14

📖 5 min de lecture🧠 Analyse approfondie

CC BY 4.0

Auteurs originaux : Bakhodir Kayumov, Avazbek Nasirov

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Dans le monde subatomique, où la matière est construite à partir de protons et de neutrons, les scientifiques tentent souvent de construire des éléments plus lourds en projetant deux noyaux atomiques plus légers l'un contre l'autre à des vitesses incroyables. Lorsque ces deux noyaux entrent en collision, ils peuvent se coller ensemble pour former un noyau composé unique, plus grand et hautement excité. Ce nouveau géant instable se calme ensuite en éjectant de minuscules particules comme des neutrons ou des particules alpha, pour finalement se stabiliser en un nouvel élément lourd. Cependant, ce processus est semé d'embûches. Souvent, au lieu de fusionner en un seul, les deux noyaux en collision s'effleurent ou se brisent en deux fragments distincts avant même de s'unir pleinement. Cet échec de la fusion est un obstacle majeur dans la quête de la création des éléments les plus lourds de l'univers.

Pour comprendre pourquoi ces collisions réussissent ou échouent, les chercheurs examinent la forme et l'orientation des noyaux impliqués. De nombreux noyaux atomiques ne sont pas des sphères parfaites ; certains sont aplatis comme des crêpes, tandis que d'autres sont étirés comme des ballons de rugby. Lorsque ces noyaux de formes irrégulières entrent en collision, l'angle sous lequel ils s'entrechoquent importe énormément. De plus, à des vitesses très élevées, un noyau peut ne pas seulement se briser en deux moitiés égales, mais pourrait perdre un petit morceau, comme une particule alpha, tandis que le reste fusionne avec la cible. Ce phénomène, connu sous le nom de fusion incomplète, crée un ensemble différent d'éléments lourds par rapport au processus standard de fusion complète. Comprendre l'équilibre entre ces différents résultats est crucial pour prédire quels éléments lourds peuvent être fabriqués et quelle quantité de ceux-ci peut être produite.

Une équipe de chercheurs a récemment examiné de plus près une collision spécifique entre le silicium-30 et le tungstène-186 pour voir comment ces différents chemins de fusion se jouent. En utilisant un modèle informatique sophistiqué qui traite les noyaux en collision comme une paire de partenaires de danse temporaires, ils ont simulé ce qui se passe lorsque ces deux atomes s'entrechoquent. Leur objectif était de calculer la fréquence à laquelle les noyaux s'unissent complètement, la fréquence à laquelle ils se brisent, et la fréquence à laquelle ils subissent une fusion incomplète, où un petit morceau est éjecté avant que les corps principaux ne fusionnent. Ils se sont concentrés sur une gamme d'énergies de collision, allant de 107,6 à 172,2 millions d'électron volts, une échelle qui représente l'énergie intense requise pour forcer ces cœurs atomiques à s'unir.

Les chercheurs ont découvert qu'à des énergies de collision plus faibles, le principal moyen de créer le résidu lourd souhaité est la fusion complète, où les deux noyaux fusionnent en une unité unique appelée radium-216. Cependant, à mesure que l'énergie de collision augmente au-delà d'environ 128 MeV, l'histoire change radicalement. Dans cette plage d'énergie plus élevée, le processus de fusion incomplète devient la source dominante des éléments lourds finaux. Dans ce scénario, le système en collision se brise d'une manière qui libère une particule alpha, laissant derrière lui un noyau légèrement plus léger appelé radon-212. L'étude montre qu'au-dessus de ce seuil d'énergie, les isotopes de radon produits par la fusion incomplète contribuent à plus de la moitié de tous les résidus lourds observés.

Ce changement de dominance explique un casse-tête de longue date dans les données expérimentales. Lorsque les scientifiques mesurent la quantité totale de matière lourde produite dans ces collisions, le nombre ne chute pas aussi rapidement qu'on pourrait s'y attendre lorsque l'énergie devient très élevée. Si seul le processus de fusion complète était à l'œuvre, la production d'isotopes de radium chuterait d'un facteur dix à mesure que l'énergie augmente. Pourtant, le rendement total reste relativement stable. Les calculs des chercheurs montrent que le canal de fusion incomplète comble ce fossé. Tandis que la production de radium chute brusquement, la production de radon via la fusion incomplète augmente pour compenser, empêchant le nombre total de résidus lourds de s'effondrer.

L'étude a également clarifié la nature des particules produites. Les chercheurs ont calculé qu'il est pratiquement impossible que les isotopes lourds de radon, spécifiquement le radon-212 et le radon-211, soient formés par la voie standard de la fusion complète à ces énergies. L'énergie requise pour expulser une particule alpha du noyau entièrement fusionné est simplement trop élevée. Au lieu de cela, ces isotopes spécifiques sont presque exclusivement le résultat du processus de fusion incomplète, où la particule alpha est éjectée tôt dans la collision, laissant derrière elle un noyau de radon plus « froid » et plus stable. Cette distinction est si nette que la détection de ces isotopes de radon spécifiques dans une expérience servirait de signature claire que la fusion incomplète est en train de se produire.

Lorsque les chercheurs ont comparé les résultats de leur simulation avec les données expérimentales réelles, ils ont trouvé un fort accord dans les tendances générales. Le modèle reproduit avec succès la diminution lente du rendement total des éléments lourds à des énergies élevées, une caractéristique que les modèles précédents se concentrant uniquement sur la fusion complète ne pouvaient expliquer. La probabilité calculée que les noyaux fusionnent complètement, en considérant uniquement les angles de collision les plus efficaces, était d'environ 0,75. Cela est légèrement supérieur à la valeur de 0,57 dérivée de comparaisons expérimentales antérieures, ce qui suggère que le modèle théorique capture la physique de la collision avec une bonne précision. Ce travail confirme que la fusion incomplète n'est pas seulement un effet secondaire mineur, mais un acteur majeur de la formation des éléments lourds dans cette réaction spécifique, façonnant fondamentalement le paysage de ce qui peut être créé en laboratoire.

Résumé technique : Contribution de la fusion incomplète aux sections efficaces de résidus d'évaporation dans la réaction $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$

Énoncé du problème
La formation de résidus d'évaporation (ER) dans les collisions d'ions lourds est un processus complexe qui entre en compétition avec la quasifission. Alors qu'il était historiquement admis que l'entrave à la fusion complète ne devient significative que dans les réactions avec un produit de nombres de charges $Z_1Z_2 > 1600$ , les données expérimentales pour la réaction $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ ( $Z_1Z_2 = 1036$ ) suggéraient le contraire. Des études antérieures ont indiqué que le rendement des isotopes du Ra (formés via la fusion complète) diminue de manière significative à des énergies d'excitation plus élevées, pourtant le rendement total des ER (incluant les isotopes du Rn et du Fr) reste relativement élevé. Cette divergence suggérait la présence d'un mécanisme au-delà de la fusion complète et de la quasifission standard. Plus précisément, Berriman et al. ont noté que les résidus non-Ra pourraient être affectés par la rupture du projectile en clusters de particules $\alpha$ à de grands moments angulaires orbitaux ( $\ell$ ), conduisant à une fusion incomplète (ICF). L'explication théorique de ce rendement important de résidus non-Ra, particulièrement les isotopes du Rn, a été le sujet principal de cette investigation.

Méthodologie
Les auteurs ont analysé la réaction $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ dans le cadre du modèle du Système Dinucléaire (DNS), en incorporant à la fois les mécanismes de fusion complète et d'ICF.

Capture et dynamique : La section efficace de capture a été calculée en résolvant les équations de mouvement dynamiques pour la distance relative et le moment angulaire orbital, en effectuant une moyenne sur les angles d'orientation des noyaux déformés $^{30}\text{Si}$ (oblate) et $^{186}\text{W}$ (prolate).
Surface d'énergie potentielle (PES) : L'évolution du DNS est régie par une PES incluant les effets de couche. Le modèle considère la compétition entre le transfert de nucléons menant à la fusion complète et la rupture du DNS via la quasifission.
Mécanisme de fusion incomplète : L'ICF est traitée non pas comme une rupture pré-capture, mais comme la rupture du DNS à partir d'une configuration très asymétrique en masse ( $\alpha + ^{212}\text{Rn}$ ) peuplée par le transfert de nucléons à grand $\ell$ . La probabilité d'émission de particules $\alpha$ a été calculée sur la base du peuplement de cette configuration spécifique du DNS et de son taux de rupture à travers la barrière de quasifission.
Désexcitation statistique : Les probabilités de survie du noyau composé excité $^{216}\text{Ra}^*$ (issu de la fusion complète) et du noyau conjugué $^{212}\text{Rn}^*$ (formé après l'émission de $\alpha$ dans l'ICF) ont été calculées à l'aide d'un modèle statistique. Cela inclut les largeurs d'émission de neutrons, de protons et d' $\alpha$ , les barrières de fission (corrigées par les facteurs de Kramers et de Strutinsky), et les densités de niveaux avec amortissement de couche.

Contributions clés et résultats

Mécanisme d'ICF : L'étude confirme que l'ICF dans cette réaction procède via la formation d'une configuration DNS asymétrique en masse ( $\alpha + ^{212}\text{Rn}$ ) suivie de l'émission d'une particule $\alpha$ . Ce processus est dominant à de grands moments angulaires orbitaux ( $\ell \approx 20\text{--}60\hbar$ ).
Contributions aux sections efficaces :
- À des énergies de collision plus faibles ( $E_{c.m.} \lesssim 125$ MeV), la fusion complète est la source primaire de résidus d'évaporation (isotopes du Ra).
- Au-dessus de $E_{c.m.} \approx 128$ MeV, la contribution de la fusion incomplète devient dominante, représentant plus de la moitié de la section efficace totale calculée des ER.
- La section efficace d'ICF augmente de deux ordres de grandeur des plus basses énergies jusqu'à $E_{c.m.} \approx 120$ MeV, atteignant environ 30 mb à des énergies plus élevées.
Reproduction des données expérimentales :
- La somme des sections efficaces de fusion complète (isotopes du Ra) et d'ICF (isotopes du Rn) reproduit avec succès la diminution lente de la section efficace totale mesurée des ER à haute énergie.
- En revanche, le rendement des isotopes du Ra seul diminue d'un ordre de grandeur dans cette plage d'énergie.
- La section efficace totale des ER calculée concorde avec les données expérimentales à 17 % pour $E_{c.m.} = 120\text{--}151$ MeV.
Probabilité de fusion : La probabilité de fusion calculée pour les ondes partielles contribuant à la formation des ER ( $\ell \leq 30\hbar$ ) est d'environ 0,75. Cela dépasse la valeur de $0,57 \pm 0,08$ extraite des données expérimentales de Berriman et al., suggérant que la quasifission entrave la fusion complète dans cette réaction même à $Z_1Z_2 = 1036$ .
Signatures isotopiques : Le calcul des canaux de désexcitation révèle que la contribution de la fusion complète à la formation de $^{212}\text{Rn}$ et $^{211}\text{Rn}$ est négligeable (sections efficaces $< 10^{-3}$ mb). Ces isotopes sont formés presque exclusivement via l'ICF, avec des sections efficaces dans le canal ICF étant plus de trois ordres de grandeur supérieures.

Signification
Cette étude démontre que la fusion incomplète, pilotée par la rupture d'une configuration DNS asymétrique en masse à de grands moments angulaires orbitaux, est un mécanisme critique pour expliquer le rendement total des résidus d'évaporation dans la réaction $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ . L'inclusion du canal ICF résout la divergence entre la chute rapide des rendements des isotopes du Ra et le déclin plus lent du rendement total des ER observé expérimentalement. De plus, l'étude identifie la production des isotopes $^{212}\text{Rn}$ et $^{211}\text{Rn}$ , concomitante avec les particules $\alpha$ , comme une signature distincte du mécanisme d'ICF, fournissant un test potentiel pour le modèle DNS de la fusion incomplète. Les résultats renforcent également la conclusion selon laquelle la quasifission entrave significativement la fusion complète dans des réactions avec un $Z_1Z_2$ bien en dessous du seuil traditionnellement accepté de 1600.

Articles similaires