Les scientifiques découvrent un moyen prometteur de créer de nouveaux éléments super-lourds

Quel est l’élément le plus lourd de l’univers ? Existe-t-il une infinité d’éléments ? Où et comment des éléments super-lourds pourraient-ils être créés naturellement ?

L’élément le plus lourd et le plus abondant connu est l’uranium, avec 92 protons (le numéro atomique « Z »). Mais les scientifiques ont réussi à synthétiser des éléments super-lourds jusqu’à l’oganesson, avec un Z de 118. Juste avant, il y a le Livemorium, avec 116 protons et la Tennessine, qui en a 117.

Tous ont des demi-vies courtes – le temps nécessaire à la désintégration de la moitié d’un assemblage d’atomes de l’élément – ​​généralement inférieures à une seconde et certaines aussi courtes qu’une microseconde. Créer et détecter de tels éléments n’est pas facile et nécessite de puissants accélérateurs de particules et des mesures élaborées.

Mais la manière habituelle de produire des éléments à Z élevé atteint ses limites. En réponse, un groupe de scientifiques des États-Unis et d’Europe ont mis au point une nouvelle méthode pour produire des éléments super-lourds au-delà de la technique existante dominante. Leurs travaux, réalisés au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, ont été publié dans Lettres d’examen physique.

« Aujourd’hui, le concept d' »îlot de stabilité » reste un sujet fascinant, avec sa position exacte et son étendue sur le continent. Graphique de Ségré continue de faire l’objet de recherches actives en physique nucléaire théorique et expérimentale », ont écrit JM Gates du LBNL et ses collègues dans leur article.

L’îlot de stabilité est une région où les éléments superlourds et leurs isotopes (noyaux avec le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons) peuvent avoir des demi-vies beaucoup plus longues que les éléments proches. On s’attend à ce que cela se produise pour les isotopes proches de Z = 112.

Bien qu’il existe plusieurs techniques pour découvrir des éléments super-lourds et créer leurs isotopes, l’une des plus fructueuses a été de bombarder des cibles de la série d’éléments actinides avec un faisceau d’atomes de calcium, en particulier un isotope du calcium48-calcium (48Ca), qui contient 20 protons et 28 (48 moins 20) neutrons. Les éléments actinides ont un nombre de protons compris entre 89 et 103, et le 48Ca est spécial car il possède un « nombre magique » de protons et de neutrons, ce qui signifie que leur nombre remplit complètement les couches d’énergie disponibles dans le noyau.

Les nombres de protons et/ou de neutrons étant magiques, cela signifie que le noyau est extrêmement stable ; par exemple, le 48Ca a une demi-vie d’environ 60 milliards de milliards (6 x 1019) d’années, bien supérieure à l’âge de l’univers. (En revanche, le 49Ca, avec juste un neutron supplémentaire, se désintègre de moitié en neuf minutes environ.)

Ces réactions sont appelées réactions de « fusion à chaud ». Une autre technique consistait à accélérer des faisceaux d’isotopes allant du titane 50 au zinc 70 sur des cibles de plomb ou de bismuth, appelées réactions de « fusion froide ». Des éléments superlourds jusqu’à l’oganesson (Z=118) ont été découverts avec ces réactions.

Mais le temps nécessaire pour produire de nouveaux éléments super-lourds, quantifié via la section efficace de la réaction qui mesure la probabilité qu’ils se produisent, prenait de plus en plus de temps, parfois des semaines. Étant si proches de l’îlot de stabilité prévu, les scientifiques ont besoin de techniques pour aller plus loin qu’Oganesson. Les cibles d’einsteinium ou de fermium, elles-mêmes très lourdes, ne peuvent pas être suffisamment produites pour constituer une cible appropriée.

« Une nouvelle approche réactionnelle est nécessaire », ont écrit Gates et son équipe. Et c’est ce qu’ils ont trouvé.

Les modèles théoriques du noyau ont prédit avec succès les taux de production d’éléments super-lourds sous Oganesson en utilisant des cibles d’actinides et des faisceaux d’isotopes plus lourds que le 48-calcium. Ces modèles conviennent également que pour produire des éléments avec Z=119 et Z=120, des poutres en titane 50 fonctionneraient mieux, ayant les sections transversales les plus élevées.

Mais tous les paramètres nécessaires n’ont pas été définis par les théoriciens, comme l’énergie nécessaire des faisceaux, et certaines des masses nécessaires aux modèles n’ont pas été mesurées par les expérimentateurs. Les chiffres exacts sont importants car les taux de production des éléments super-lourds pourraient autrement varier énormément.

Plusieurs efforts expérimentaux visant à produire des atomes ayant un nombre de protons compris entre 119 et 122 ont déjà été tentés. Tous n’ont pas été satisfaisants et les limites qu’ils ont déterminées pour les sections efficaces n’ont pas permis de contraindre différents modèles nucléaires théoriques. Gates et son équipe ont étudié la production d’isotopes du hépatique (Z=116) en projetant du 50-titane sur des cibles de 244-Pu (plutonium).

À l’aide de l’accélérateur cyclotron de 88 pouces du laboratoire national Lawrence Berkeley, l’équipe a produit un faisceau d’une moyenne de 6 000 milliards d’ions titane par seconde sortant du cyclotron. Ceux-ci ont impacté la cible de plutonium, qui avait une surface circulaire de 12,2 cm, sur une période de 22 jours. En effectuant une série de mesures, ils ont déterminé que le 290-livermorium avait été produit via deux chaînes de désintégration nucléaire différentes.

« Il s’agit de la première production signalée d’un SHE [superheavy element] près de l’îlot de stabilité prévu avec un faisceau autre que le 48-calcium », ont-ils conclu. La section efficace de réaction, ou probabilité d’interaction, a effectivement diminué, comme on s’y attendait avec des isotopes de faisceau plus lourds, mais « le succès de cette mesure valide que les découvertes de les nouvelles SHE sont en effet à portée expérimentale.

Cette découverte représente la première fois qu’une collision de noyaux non magiques montre le potentiel de créer d’autres atomes et isotopes super-lourds (les deux), ouvrant, espérons-le, la voie à de futures découvertes. On sait qu’il existe environ 110 isotopes d’éléments super-lourds, mais on s’attend à ce qu’une cinquantaine d’autres soient disponibles, attendant d’être découverts par de nouvelles techniques comme celle-ci.

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