Des proportions jamais vues auparavant de particules composant les noyaux atomiques ont émergé lors d’une expérience historique impliquant la fragmentation d’éléments lourds.
En brisant les noyaux de platine, les physiciens dirigés par Oleg Tarasov de la Michigan State University ont découvert de nouveaux isotopes des éléments des terres rares, le thulium, l’ytterbium et le lutécium. C’est une réalisation qui, selon les scientifiques, les aidera à comprendre les propriétés des noyaux riches en neutrons et les processus qui forgent de nouveaux éléments lors de la collision d’étoiles à neutrons.
Selon les chercheurs, ces travaux démontrent également la puissance de l’installation de faisceaux d’isotopes rares (FRIB) récemment achevée de la Michigan State University, qui a mené sa première expérience en juin 2022.
Toutes les formes d’un élément ne sont pas construites de la même manière. Chaque noyau atomique est constitué d’un certain nombre de particules subatomiques appelées nucléons – protons et neutrons. Le nombre de protons est cohérent dans toutes les formes d’un élément et donne à cet élément son numéro atomique.
Le nombre de neutrons peut cependant varier. Ces variations déterminent ce que l’on appelle les isotopes d’un élément.
Tous les éléments possèdent un certain nombre d’isotopes qui se forment avec différents niveaux de stabilité. Certains se désintègrent extrêmement rapidement, se décomposant en éléments plus légers dans une bouffée de rayonnement ionisant. Certains traînent simplement dans une parfaite stabilité. Comprendre les différents isotopes et leur comportement aide les scientifiques à comprendre comment l’Univers fabrique les éléments et à estimer l’abondance de ces éléments dans l’espace et dans le temps.
Pour forger leurs nouveaux isotopes, Tarasov et ses collègues ont commencé avec un isotope du platine à 120 neutrons appelé 198Pt. Le platine standard a 117 neutrons; l’utilisation d’un isotope plus lourd peut modifier la façon dont le noyau se fragmente.
Ils ont placé ces atomes dans le FRIB, qui utilise un accélérateur d’ions lourds pour fragmenter les noyaux atomiques. Des faisceaux d’isotopes rares sont tirés sur une cible à des vitesses supérieures à la moitié de la vitesse de la lumière. Lorsqu’ils atteignent la cible, ces isotopes se brisent en isotopes plus légers des noyaux ; les physiciens peuvent alors détecter et étudier ces isotopes.
Dans la fragmentation de 198Pt, l’équipe de Tarasov a découvert 182Tm et 183Tm, avec respectivement 113 et 114 neutrons ; le thulium standard a 69 neutrons. Ils ont également trouvé 186Yb et 187Yb, avec respectivement 116 et 117 neutrons ; l’ytterbium standard a 103 neutrons. Finalement, ils ont trouvé 190Lu, avec 119 neutrons ; le lutétium standard a 104 neutrons.
Chacun de ces isotopes a été observé lors de plusieurs passages de l’accélérateur. Cela signifie, disent les chercheurs, que FRIB peut être utilisé pour étudier la synthèse d’isotopes d’éléments lourds riches en neutrons dans des régimes qui ont été jusqu’à présent assez négligés – non pas par manque d’intérêt, mais par la capacité de les créer et de les détecter.
Ceci, à son tour, pourrait nous aider à comprendre comment des événements cosmiques violents forgent les éléments les plus lourds de l’Univers. Tout ce qui est plus lourd que le fer dans l’Univers ne peut être créé que dans des conditions extrêmes, celles observées dans les supernovae, par exemple, et collisions entre étoiles à neutrons.
Un processus de nucléosynthèse observé dans étoile à neutrons les collisions sont le processus rapide de capture de neutrons, ou r-processus. Cela se produit lorsque les noyaux atomiques se glomelent rapidement les neutrons flottants qui sont libérés lors de l’explosion de la kilonova, commençant leur transformation en un élément plus lourd. C’est ainsi que nous obtenons de l’or, du strontium, du platine et d’autres métaux lourds.
Selon eux, l’expérience de l’équipe est sur le point de reproduire le processus R. Cela signifie que nous pourrions très bientôt disposer d’un outil capable de reproduire l’une des voies de nucléosynthèse observées dans certains des événements les plus violents que l’Univers ait à offrir.
« Les capacités uniques du FRIB, notamment des faisceaux primaires très intenses à des énergies dépassant celles disponibles au Laboratoire national du cyclotron supraconducteur, en font une installation idéale pour explorer la région autour du nombre de neutrons N = 126 et au-delà », ont déclaré les chercheurs. écrire.
« Les chercheurs du FRIB peuvent utiliser ces réactions pour produire, identifier et étudier les propriétés de nouveaux isotopes, contribuant ainsi aux progrès de la physique nucléaire, de l’astrophysique et à notre compréhension des propriétés fondamentales de la matière. »
La recherche a été publiée dans Lettres d’examen physique.
