Ces dernières années, les physiciens et les ingénieurs ont développé des instruments de plus en plus sophistiqués pour étudier les particules et leurs interactions avec une grande précision. Ces instruments, qui comprennent des détecteurs de particules, des capteurs et des accéléromètres, pourraient aider les chercheurs à étudier les processus physiques de manière plus détaillée, contribuant ainsi potentiellement à de nouvelles découvertes intéressantes.
Des chercheurs de l’Université Yale ont récemment présenté une nouvelle méthode permettant de détecter mécaniquement une désintégration nucléaire individuelle, le processus par lequel un noyau atomique instable perd de l’énergie via l’émission de radiations. Leur approche proposée, décrite dans un document dans Lettres d’examen physiqueest sensible à toutes les particules émises lors de la désintégration, y compris les particules neutres, qui sont difficiles, voire impossibles à détecter à l’aide des méthodes existantes.
« Notre groupe développe des capteurs de force et des accéléromètres sensibles à l’échelle du micron utilisant des particules piégées optiquement dans le vide », a déclaré à Phys.org David C. Moore, co-auteur de l’article. « Récemment, la sensibilité de ces systèmes est devenue si bonne que nous avons réalisé que nous pouvions détecter les forces transmises par une seule particule fondamentale, comme une particule alpha émise lors d’une désintégration nucléaire. »
L’objectif principal des recherches récentes de Moore et de ses collègues était de développer de nouvelles techniques pour détecter les désintégrations nucléaires en exploitant les forces transmises par les particules fondamentales individuelles. De telles techniques leur permettraient à terme de détecter des particules dépourvues de charge électrique (c’est-à-dire des particules neutres), qui peuvent être particulièrement difficiles à détecter à l’aide de détecteurs conventionnels.
« Notre approche consiste à surveiller le mouvement d’une particule de la taille d’une poussière dans laquelle sont implantés des noyaux radioactifs », explique Moore. « Si un seul noyau de la particule de poussière se désintègre, nous pouvons le détecter en observant un changement de charge électrique de la particule lorsque des particules chargées telles que des particules alpha ou bêta s’échappent. »
Lors de leurs premières expériences, l’équipe a montré que leur méthode permettait de détecter des désintégrations nucléaires individuelles. Les chercheurs ont notamment pu observer le recul complet d’une particule à une échelle précise de quelques dizaines de nanomètres, en mesurant soigneusement la position d’une sphère dans leur dispositif à partir de la lumière laser diffusée par celle-ci.
« Notre approche nous permet de détecter des désintégrations individuelles se produisant au sein des particules même si elles se produisent très rarement, par exemple une seule fois par jour », a déclaré Moore. « Cela pourrait nous permettre d’étudier des particules de la taille d’une poussière pertinentes pour la surveillance et la non-prolifération nucléaires et de détecter des désintégrations individuelles d’isotopes à longue durée de vie. »
Ces travaux pourraient bientôt ouvrir des perspectives intéressantes pour la recherche en physique des particules. La méthode de détection prometteuse qu’ils ont introduite pourrait par exemple être utilisée pour rechercher de la matière noire et des particules exotiques ou faire progresser l’étude des processus nucléaires et des particules neutres qui échappent aux détecteurs traditionnels.
« Dans nos travaux futurs, nous souhaitons étendre les mêmes techniques à des nanoparticules plus petites », a ajouté Moore. « Cela nous permettra de détecter l’impulsion générée par un neutrino isolé s’échappant de la sphère. Les neutrinos interagissent si faiblement qu’ils s’échapperaient sans être détectés, mais cette nouvelle technique pourrait fournir de nouveaux outils pour étudier ces particules insaisissables. »
Plus d’information:
Jiaxiang Wang et al, Détection mécanique des désintégrations nucléaires, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.023602. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2402.13257
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