Une nouvelle étude menée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l’Énergie a mesuré le temps nécessaire à la désintégration de plusieurs types de noyaux exotiques. L’article, publié aujourd’hui dans Lettres d’examen physiquemarque le premier résultat expérimental de la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), une installation utilisateur du DOE Office of Science gérée par la Michigan State University.
Les scientifiques ont utilisé cette installation unique en son genre pour mieux comprendre les noyaux, la collection de protons et de neutrons présents au cœur des atomes. La compréhension de ces éléments de base permet aux scientifiques d’affiner leurs meilleurs modèles et a des applications dans la médecine, la sécurité nationale et l’industrie.
« L’étendue de l’installation et les programmes qui sont poursuivis sont vraiment excitants à regarder », a déclaré Heather Crawford, physicienne au Berkeley Lab et porte-parole principale de la première expérience FRIB. « La recherche va sortir dans différents domaines qui auront un impact sur des choses auxquelles nous n’avons même pas encore pensé. Il y a tellement de potentiel de découverte. »
La première expérience n’est qu’un petit avant-goût de l’avenir de l’installation, qui deviendra 400 fois plus puissante au cours des prochaines années. « Ça va être vraiment excitant, époustouflant, honnêtement », a déclaré Crawford.
Plus de 50 participants de dix universités et laboratoires nationaux ont participé à la première expérience. L’étude a porté sur les isotopes de plusieurs éléments. Les isotopes sont des variations d’un élément particulier ; ils ont le même nombre de protons mais peuvent avoir des nombres de neutrons différents.
Crédit : Université d’État du Michigan
Les chercheurs se sont concentrés sur les isotopes instables près de la « ligne d’égouttement », l’endroit où les neutrons ne peuvent plus se lier à un noyau. Au lieu de cela, tous les neutrons supplémentaires s’écoulent, comme l’eau d’une éponge de cuisine saturée.
Les chercheurs ont brisé un faisceau de noyaux stables de calcium-48 se déplaçant à environ 60 % de la vitesse de la lumière dans une cible en béryllium. Le calcium s’est fragmenté, produisant une multitude d’isotopes qui ont été séparés, identifiés individuellement et livrés à un détecteur sensible qui a mesuré le temps qu’ils ont mis à se désintégrer. Le résultat? Les premières ont rapporté des mesures de demi-vies pour cinq isotopes exotiques chargés de neutrons du phosphore, du silicium, de l’aluminium et du magnésium.
Les mesures de demi-vie (peut-être mieux connues grâce aux applications de datation au carbone) sont l’une des premières choses que les chercheurs peuvent observer à propos de ces particules à courte durée de vie. Les informations fondamentales sur les noyaux aux limites de leur existence fournissent un test utile pour différents modèles du monde atomique.
« Il s’agit d’une question scientifique fondamentale, mais elle est liée à la vue d’ensemble du domaine », a déclaré Crawford. « Notre objectif est de décrire non seulement ces noyaux, mais toutes sortes de noyaux. Ces modèles nous aident à combler les lacunes, ce qui nous aide à prédire de manière plus fiable des choses que nous n’avons pas encore pu mesurer. »
Des théories plus complètes aident à faire avancer la recherche dans des domaines tels que l’astrophysique et la physique nucléaire, par exemple, comprendre comment les éléments se forment dans les étoiles qui explosent ou comment les processus se déroulent dans les réacteurs nucléaires.
Crawford et l’équipe prévoient de répéter l’expérience de demi-vie l’année prochaine, en profitant d’une intensité de faisceau supplémentaire qui augmentera le nombre d’isotopes produits, y compris des isotopes rares près de la ligne d’égouttement des neutrons. En attendant, d’autres groupes profiteront des nombreuses lignes de lumière et instruments de l’installation.
« La mise en ligne de l’installation a été un gros effort de la part de beaucoup de gens, et quelque chose que la communauté attendait avec impatience depuis longtemps », a déclaré Crawford. « Je suis ravi d’être assez jeune pour continuer à en profiter pendant les prochaines décennies. »
Plusieurs institutions ont collaboré à la première expérience, avec des chercheurs de l’Argonne National Laboratory (ANL), du Berkeley Lab, du Brookhaven National Laboratory, de la Florida State University, du FRIB, du Lawrence Livermore National Laboratory, de la Louisiana State University, du Los Alamos National Laboratory, du Mississippi State University, de Oak Ridge National Laboratory (ORNL) et l’Université du Tennessee à Knoxville (UTK).
Des scientifiques de l’ORNL, de l’UTK, de l’ANL et de la FRIB ont dirigé la collaboration pour fournir les instruments utilisés dans l’initiateur FRIB Decay Station, le système de détection sensible qui mesurait les isotopes.
Plus d’information:
HL Crawford et al, Crossing N=28 Toward the Neutron Drip Line: First Measurement of Half-Lives at FRIB, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.212501