Une nouvelle synthèse d’éléments superlourds ouvre la voie à un « îlot de stabilité » tant attendu
Une nouvelle méthode de fabrication d’éléments superlourds pourrait bientôt ajouter une nouvelle ligne au tableau périodique, permettant aux scientifiques d’explorer des domaines atomiques inexplorés
Jacklyn Gates, responsable du groupe des éléments lourds au laboratoire national Lawrence Berkeley en Californie, dirige un effort visant à créer l’élément superlourd 120.
Marilyn Sargent, Productrice multimédia/Les régents de l’Université de Californie, Laboratoire national Lawrence Berkeley
Pour les nouveaux éléments lourds créés par l’homme dans le tableau périodique, être « trop gros pour son propre bien » signifie souvent instabilité et existence éphémère. Plus les scientifiques rassemblent de protons et de neutrons pour construire un noyau atomique « superlourd » (un noyau contenant un nombre total de protons supérieur à 103), plus l’élément résultant tend à être fragile. Jusqu’à présent, toutes les éléments superlourds Les humains ont réussi à produire une désintégration presque instantanée. Les chercheurs qui ont synthétisé des atomes aussi lourds via un accélérateur de particules au Laboratoire national Lawrence de Berkeley ont cependant fait un grand pas en avant vers l’insaisissable «île de stabilité« — une région hypothétique du tableau périodique où de nouveaux éléments superlourds pourraient enfin perdurer suffisamment longtemps pour inverser la tendance.
L’équipe a réussi à forger l’élément 116, le livermorium, en utilisant une nouvelle méthode faisant appel au titane 50, un isotope rare qui constitue environ 5 % de tout le titane sur Terre. En chauffant ce titane à 1 500 °C et en le canalisant vers un faisceau à haute énergie, les chercheurs ont pu projeter ce flux de particules sur d’autres atomes pour créer des éléments superlourds. Bien que le livermorium ait déjà été fabriqué à l’aide d’autres techniques, cette approche innovante ouvre la voie à la synthèse de nouveaux éléments encore plus lourds, ce qui pourrait élargir le tableau périodique.
« Cette réalisation est véritablement révolutionnaire », déclare Hiromitsu Haba, chercheur au Centre RIKEN Nishina pour la science basée sur les accélérateurs au Japon, qui n’a pas participé à l’étude. Haba ajoute que cet exploit est « nécessaire pour découvrir de nouveaux éléments ». Les travaux ont été présentés lors de la conférence Nuclear Structure de juillet et sont actuellement en cours d’examen dans la revue Lettres d’examen physique.
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Les mathématiques « simples » de la fusion des superlourds
Le laboratoire de Berkeley abrite le cyclotron de 88 pouces, un appareil qui génère un champ électromagnétique pour pousser les noyaux atomiques à se débarrasser de certains de leurs électrons environnants et à se précipiter à grande vitesse vers d’autres atomes stationnaires. Grâce à ces machines, la synthèse d’éléments superlourds se résume alors à une simple mathématique : pour former un élément avec 116 protons, il faut fusionner deux noyaux atomiques avec cette somme totale de protons entre eux. Cependant, comme c’est souvent le cas en physique nucléaire, le processus n’est pas exactement si simple.
Traditionnellement, le calcium 48 a été l’isotope de référence pour les réactions de fusion superlourdes en raison de sa nature « doublement magique ». Les noyaux atomiques sont entourés de couches orbitales d’électrons tourbillonnants ; les noyaux possédant des « nombres magiques » de protons ou de neutrons qui remplissent complètement une couche sont très stables, et ceux avec des nombres « doublement magiques » de les deux Certains types de particules sont exceptionnellement similaires. Mais le faible nombre de protons du calcium 48 limite son utilité pour créer des éléments plus lourds. L’élément stable le plus lourd qui peut être combiné avec le calcium 48 (20 protons) est le curium (96 protons), ce qui donne le livermorium (116 protons). Alors que le calcium 48 et le berkelium plus lourd (97 protons) ont été utilisés pour synthétiser l’élément 117, le berkelium « est extrêmement difficile à produire », explique Witold Nazarewicz, scientifique en chef au Facility for Rare Isotope Beams de l’université d’État du Michigan, qui n’a pas participé à la nouvelle étude. « Si nous voulons fabriquer la plupart des éléments plus lourds, nous avons besoin d’un faisceau avec plus de protons (que le calcium 48) ».
Pour fabriquer un tel faisceau, l’équipe de recherche a eu recours au titane 50, en essayant de le fusionner avec du plutonium pour produire du livermorium. « Avant de réaliser cette expérience, personne ne savait à quel point il serait facile ou difficile de fabriquer des objets avec du titane », souligne Jacklyn Gates, responsable du groupe des éléments lourds au Berkeley Lab et auteur principal de l’étude.
Contrairement au calcium 48, un métal doublement magique et extrêmement stable, le titane 50 est nettement non magique et manque de stabilité extrême. Il a également un point de fusion presque deux fois supérieur à celui du calcium, ce qui le rend plus difficile à travailler. Et la stabilité plus faible des atomes de titane 50 diminue la probabilité de fusions réussies, même en cas de collision. « C’est la différence entre voir un atome synthétisé tous les jours et tous les 10 jours ou pire », explique Gates. Malgré ces défis, le titane 50 s’est révélé être le meilleur candidat, car il offrait l’espoir de créer des éléments superlourds hors de portée du calcium.
Une fois les isotopes préparés et le cyclotron en marche, le processus est devenu un jeu d’attente. En projetant en continu le faisceau de titane sur une cible d’uranium, la probabilité d’obtenir une collision entre deux noyaux était extrêmement faible. « Si vous faites exploser un atome de la taille d’un terrain de football, un noyau a la taille d’un petit pois », explique Gates. « Nous projetons six mille milliards de particules de titane par seconde sur notre cible juste pour avoir une chance statistique de nous rapprocher du noyau. »
Ce bombardement de haute intensité et la rareté des collisions réussies signifiaient que la synthèse de quantités détectables du livermorium souhaité prenait 22 jours.
À la recherche de l’île de stabilité
L’utilisation réussie du titane 50 marque un bond en avant considérable dans le domaine de la synthèse des éléments superlourds. En plus de démontrer la viabilité fondamentale de la technique, cette expérience fournit également des données cruciales sur les « sections efficaces » associées à un faisceau de particules de titane 50. (Une section efficace est une mesure de la probabilité d’un résultat spécifique, comme la fusion du livermorium, lorsque deux particules entrent en collision, en fonction de l’énergie de la collision.)
Sur cette base, le prochain objectif ambitieux de la fusion du titane 50 est la création de l’élément 120, qui nécessitera des collisions avec le californium. L’élément 120 serait l’élément le plus lourd jamais créé et le premier de la huitième ligne du tableau périodique. Selon certains modèles, l’élément devrait également avoir une durée de vie relativement longue, ce qui en ferait une tête de pont sur l’île de stabilité tant recherchée. Bien que les modèles théoriques n’offrent que peu de certitudes quant à l’énergie exacte requise pour sa synthèse à base de titane, ces résultats précurseurs offrent des informations précieuses. « (Cette étude) a obtenu des résultats expérimentaux en coupe transversale, et ils savent maintenant quel modèle (théorique) est le plus fiable », explique Nazarewicz. Haba ajoute : « Nous recherchons des noyaux dans le régime extrême, ce qui est encore difficile à prédire théoriquement…. Cependant, il n’y a absolument aucune raison pour que l’élément 120 ne puisse pas être synthétisé par cette méthode. »
Bien que la création de ce nouvel élément puisse encore prendre des années, cette découverte potentielle promet de nouvelles perspectives sur les couches électroniques et le tableau périodique, ce qui pourrait avoir des implications de grande portée pour la physique nucléaire, la science des matériaux et d’autres domaines. orbitales g« C’est comme accéder à une toute nouvelle partie de la chimie », explique Gates, faisant référence à une nouvelle configuration théorique des électrons qui n’a jamais été observée.
