Posté par Adrien le Jeudi 04/06/2020 à 09:00

Éléments lourds: où se termine le tableau périodique des éléments ?

La simple question "Où se termine le tableau périodique des éléments ?" suscite depuis longtemps l'intérêt des scientifiques. Dans ce contexte, la compréhension de la structure des noyaux les plus lourds, et à travers elle leur stabilité, est d'une importance majeure.

Figure 1: Carte des noyaux dans la région des noyaux lourds. Chaque noyau est représenté par un carré en fonction du nombre de protons (Z) et du nombre de neutrons (N) (https://people.physics.anu.edu.au/~ecs103/chart3d/).

Il y a dix ans, il n'existait pas de voie évidente pour s'attaquer à cette quête scientifique. Et pourtant, ces dernières années, une collaboration composée de physiciens provenant de l'Irfu/DPhN, de Jyvaskyla (Finlande), du GSI (Allemagne) et d'Argonne (États-Unis) a appliqué une technique nouvellement développée qui s'appuie sur des accélérateurs à haute performance et des détecteurs de pointe pour étudier les états isométriques (longue durée de vie) des noyaux lourds.

Cette technique a déclenché une renaissance de la science des éléments ioniques lourds. De nouveaux détecteurs à plan focal équipés d'électronique numérique ont été pour la première fois adaptés aux états de courte durée dans les noyaux lourds, permettant la détection d'événements très proches et de demi-vie très courte (quelques µs). Cela ouvre de nouvelles perspectives puisqu'à ce jour, l'élément le plus lourd trouvé est l'Oganesson avec une demi-vie de 0,58 ms. Les résultats ont été publiés dans Physical Review C [1].

Les états isomériques: une clé pour comprendre la structure des noyaux lourds

Les noyaux atomiques sont des états liés aux quanta dont les composants, les protons et les neutrons, peuvent occuper différents niveaux d'énergie. Lorsqu'ils remplissent les niveaux inférieurs, le noyau se trouve dans l'état le moins énergétique, appelé état fondamental. Cependant, ils peuvent "sauter" sur des niveaux d'énergie plus élevés, ce qui donne des configurations plus énergétiques appelées états excités du noyau. Si cet état excité a une longue durée de vie, il est appelé isomère. Ces isomères sont métastables. La durée de vie typique d'un état nucléaire peut être de quelques picosecondes, mais les isomères peuvent survivre plusieurs ordres de grandeur plus longtemps. Certains isomères sont connus pour avoir des demi-vies de quelques secondes, minutes, heures, ou même années. Par exemple, l'état isomérique du Hafnium 178 (composé de 72 protons et 106 neutrons) a une demi-vie de plus de 30 ans.

L'existence d'états isomériques est due à de fortes différences de propriétés (par exemple des formes différentes) entre l'état isomérique et les états inférieurs. Par conséquent, l'étude des isomères se révèle cruciale pour déterminer la structure des noyaux lourds.

Figure 2: Croquis d'un processus de désexcitation d'un noyau produit dans son état isométrique (état métastable) vers l'état fondamental via l'émission de gammas ou d'électrons

Une réaction nucléaire peut produire un noyau dans son état fondamental ou dans son état isomérique. Dans ce dernier cas, la plupart du temps, l'état isomérique ne se désintègre pas directement vers l'état fondamental. Il prendra un chemin peuplant des états excités intermédiaires avant d'atteindre l'état fondamental (figure 2). Les différentes désintégrations le long de ce trajet émettent des particules telles que des électrons et des gammas, qui peuvent être détectées. Une fois mesurées, on peut déduire de ces émissions des informations sur la structure des noyaux lourds. Si, comme le 250No, l’état fondamental est radioactif, il peut alors se désintégrer par divers mécanismes (fission, désintégration bêta,...).

Une nouvelle électronique pour des mesures révolutionnaires des états isomériques

Ces dernières années, l'utilisation de l'électronique numérique dans les domaines expérimentaux de la physique nucléaire n'a cessé de croître. Quel est l'objectif de l'électronique numérique ? Elle permet d'échantillonner les signaux provenant d'un détecteur, un détecteur au silicium par exemple, avec une fréquence typique de 50 à 100 MHz. Une fois échantillonnés, des algorithmes logiciels spécifiques sont capables de séparer des événements qui se produisent très près dans le temps.

En exploitant ces nouvelles avancées, les physiciens de Irfu/DPhN et de Jyväskylä (Finlande) ont pu étudier pour la première fois la spectroscopie de désintégration de 250No (Nobelium composé de 102 protons et 148 neutrons), un des rares types de noyaux très lourds à l'état isomérique vivant considérablement plus longtemps que son état fondamental.

La méthode utilisée pour chasser les isomères peut être décrite comme suit. Premièrement, la collision entre un faisceau et une cible produit de nombreux noyaux, parmi lesquels ceux qui présentent un intérêt (ici 250No à la fois dans l'état fondamental et dans l'état isomérique). Ces derniers sont sélectionnés dans le bruit de fond (transfert indésirable, produits de fission et particules du faisceau n'ayant pas réagi) par l'intermédiaire d'un séparateur (figure 3).

Figure 3: Le séparateur RITU à l'installation de l'accélérateur de Jyväskylä. Le faisceau arrive sur la droite ; des noyaux 250No sont créés puis on les filtre dans le séparateur RITU (aimants et quadrupôles) ; enfin, on étudie leur désintégration avec des détecteurs situés sur la partie gauche de l’image.

Le noyau sélectionné est implanté dans un pixel d'un détecteur à bande de silicium double face hautement segmenté (DSSSD) au niveau du plan focal du séparateur. Si le noyau est dans un état isomérique, il survivra pendant un certain temps avant de se désintégrer dans un état inférieur. Cette désintégration suivra le chemin présenté sur la figure 1, ce qui signifie que plusieurs électrons seront détectés ensemble en même temps. Ensuite, le noyau 250No se désintégrera également, en fissionnant en deux noyaux de masse inférieure. Cette méthode expérimentale, proposée par Graham Jones de l'université de Liverpool, fournit une séquence d'événements identifiable très nette:
- Implantation d'un produit de réaction au niveau du plan focal d'un séparateur
- Détection d'une "bouffée" d'électrons
- Détection de l’état fondamental de fission.

Toutes ces étapes se déroulent dans le même pixel du DSSSD. Cette puissante méthode permet d'effectuer une spectroscopie de la désintégration des isomères (voir figure 4).

Figure 4: Spectre montrant les énergies des électrons détectés. Dans l’encadré en haut à droite on voit les différentes phases dans le signal électronique dans la DSSD, premièrement le produit de réaction (Résidu d'évaporation, ER) est implanté dans la DSSD, deuxièmement, les électrons provenant de la désintégration de l'état isomérique sont détectés (e-), troisièmement, les produits de fission (Fission spontanée, SF) sont observés dans le DSSD.

De nouveaux résultats qui font la lumière sur la stabilité des noyaux lourds

L'exploitation de la méthode Jones avec l'électronique numérique permet d'extraire la durée de vie de 250No de l'état fondamental (t1/2 = 3,8 ± 0,3 μs) et de l'état isomérique (t1/2 = 34.9-3.2+3.9 μs), en soulignant que la durée de vie de l'état isomérique est plus longue que celle de l'état fondamental. C'est la première fois qu'une durée de vie aussi courte d'un état isomérique d'un noyau lourd a été mesurée. La demi-vie plus longue de l'état isomérique par rapport à celle de l'état fondamental suggère qu'il existe un obstacle important à la fission dû à l'état isomérique. Le noyau gagne ainsi en stabilité. Ce phénomène a des conséquences importantes pour les modèles de structure nucléaire visant à déterminer les limites de l'îlot de stabilité des éléments super-lourds.

Cette propriété intéressante, observée seulement dans des cas limités (par exemple, le Darmstadtium 270 composé de 110 protons et 160 neutrons) ouvre la possibilité de trouver plus facilement de nouveaux isotopes et éléments super-lourds en recherchant leurs isomères. Alors, où se termine le tableau périodique ? Quelle est la masse du noyau atomique le plus lourd ? Nous n'avons pas encore de réponses claires, mais suite aux récents résultats expérimentaux, nous avons de bonnes chances d'y répondre dans un avenir proche.

Note:
[1] J. Kallunkathariyil et al., Phys. Rev. C 101, 011301(R) (2020).
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