Un nouvel accélérateur de particules à la Michigan State University est sur le point de découvrir des milliers d’isotopes jamais vus auparavant. Installation pour les faisceaux d’isotopes rares, CC BY-ND
À quelques centaines de mètres de l’endroit où nous sommes assis se trouve une grande chambre métallique dépourvue d’air et recouverte des câbles nécessaires pour contrôler les instruments à l’intérieur. Un faisceau de particules traverse silencieusement l’intérieur de la chambre à environ la moitié de la vitesse de la lumière jusqu’à ce qu’il heurte un morceau de matériau solide, entraînant une explosion d’isotopes rares.
Tout cela se déroule dans le Facility for Rare Isotope Beams, ou FRIB, qui est exploité par la Michigan State University pour le US Department of Energy Office of Science. À partir de mai 2022, des équipes nationales et internationales de scientifiques ont convergé à la Michigan State University et ont commencé à mener des expériences scientifiques au FRIB dans le but de créer, d’isoler et d’étudier de nouveaux isotopes. Les expériences promettaient de fournir de nouvelles informations sur la nature fondamentale de l’univers.
Nous sommes deux professeurs de chimie nucléaire et de physique nucléaire qui étudions les isotopes rares. Les isotopes sont, en un sens, différentes saveurs d’un élément avec le même nombre de protons dans leur noyau mais un nombre différent de neutrons.
L’accélérateur de FRIB a commencé à fonctionner à faible puissance, mais lorsqu’il aura atteint sa pleine puissance, ce sera l’accélérateur d’ions lourds le plus puissant sur Terre. En accélérant des ions lourds – des atomes d’éléments électriquement chargés – FRIB permettra à des scientifiques comme nous de créer et d’étudier des milliers d’isotopes jamais vus auparavant. Une communauté d’environ 1 600 scientifiques nucléaires du monde entier attend depuis une décennie pour commencer à faire de la science grâce au nouvel accélérateur de particules.
Les premières expériences au FRIB ont été achevées au cours de l’été 2022. Même si l’installation ne fonctionne actuellement qu’à une fraction de sa pleine puissance, plusieurs collaborations scientifiques travaillant au FRIB ont déjà produit et détecté environ 100 isotopes rares. Ces premiers résultats aident les chercheurs à en apprendre davantage sur certaines des physiques les plus rares de l’univers.
Les isotopes rares sont radioactifs et se désintègrent avec le temps lorsqu’ils émettent des radiations – visibles ici sous la forme de stries provenant du petit morceau d’uranium au centre.
Qu’est-ce qu’un isotope rare ?
Il faut des quantités incroyablement élevées d’énergie pour produire la plupart des isotopes. Dans la nature, des isotopes lourds rares sont produits lors de la mort cataclysmique d’étoiles massives appelées supernovas ou lors de la fusion de deux étoiles à neutrons.
À l’œil nu, deux isotopes de n’importe quel élément se ressemblent et se comportent de la même manière – tous les isotopes de l’élément mercure ressembleraient exactement au métal liquide utilisé dans les vieux thermomètres. Cependant, comme les noyaux des isotopes d’un même élément ont des nombres de neutrons différents, ils diffèrent par leur durée de vie, le type de radioactivité qu’ils émettent et de bien d’autres manières.
Par exemple, certains isotopes sont stables et ne se désintègrent pas ou n’émettent pas de rayonnement, ils sont donc courants dans l’univers. D’autres isotopes du même élément peuvent être radioactifs, de sorte qu’ils se désintègrent inévitablement en se transformant en d’autres éléments. Comme les isotopes radioactifs disparaissent avec le temps, ils sont relativement plus rares.
Cependant, toutes les caries ne se produisent pas au même rythme. Certains éléments radioactifs – comme le potassium 40 – émettent des particules par désintégration à un taux si faible qu’une petite quantité de l’isotope peut durer des milliards d’années. D’autres isotopes plus radioactifs comme le magnésium 38 n’existent que pendant une fraction de seconde avant de se désintégrer en d’autres éléments. Les isotopes à courte durée de vie, par définition, ne survivent pas longtemps et sont rares dans l’univers. Donc, si vous voulez les étudier, vous devez les fabriquer vous-même.
L’installation de faisceaux d’isotopes rares a été conçue pour permettre aux chercheurs de créer des isotopes rares et de les mesurer avant qu’ils ne se désintègrent. Installation pour les faisceaux d’isotopes rares, CC BY-ND
Créer des isotopes en laboratoire
Alors que seulement environ 250 isotopes sont naturellement présents sur Terre, les modèles théoriques prédisent qu’environ 7 000 isotopes devraient exister dans la nature. Les scientifiques ont utilisé des accélérateurs de particules pour produire environ 3 000 de ces isotopes rares.
Les chambres de couleur verte utilisent des ondes électromagnétiques pour accélérer les ions chargés à près de la moitié de la vitesse de la lumière. Installation pour les faisceaux d’isotopes rares, CC BY-ND
L’accélérateur FRIB mesure 1 600 pieds de long et est composé de trois segments pliés en gros en forme de trombone. Au sein de ces segments se trouvent de nombreuses chambres à vide extrêmement froides qui tirent et poussent alternativement les ions à l’aide de puissantes impulsions électromagnétiques. FRIB peut accélérer n’importe quel isotope naturel – qu’il soit aussi léger que l’oxygène ou aussi lourd que l’uranium – à environ la moitié de la vitesse de la lumière.
Pour créer des isotopes radioactifs, il vous suffit de briser ce faisceau d’ions dans une cible solide comme un morceau de béryllium métallique ou un disque rotatif de carbone.
Il existe de nombreux instruments différents conçus pour mesurer les attributs spécifiques des particules créées lors des expériences au FRIB – comme cet instrument appelé FDSi, qui est conçu pour mesurer les particules chargées, les neutrons et les photons. Installation pour les faisceaux d’isotopes rares, CC BY-ND
L’impact du faisceau d’ions sur la cible de fragmentation brise le noyau de l’isotope stable et produit simultanément plusieurs centaines d’isotopes rares. Pour isoler les isotopes intéressants ou nouveaux du reste, un séparateur se trouve entre la cible et les capteurs. Les particules avec la bonne quantité de mouvement et la bonne charge électrique passeront à travers le séparateur tandis que les autres seront absorbées. Seul un sous-ensemble des isotopes recherchés atteindra les nombreux instruments construits pour observer la nature des particules.
La probabilité de créer un isotope spécifique au cours d’une seule collision peut être très faible. Les chances de créer certains des isotopes exotiques les plus rares peuvent être de l’ordre de 1 sur un quadrillion – à peu près les mêmes chances que de gagner des jackpots Mega Millions consécutifs. Mais les puissants faisceaux d’ions utilisés par FRIB contiennent tellement d’ions et produisent tellement de collisions en une seule expérience que l’équipe peut raisonnablement s’attendre à trouver même les isotopes les plus rares. Selon les calculs, l’accélérateur de FRIB devrait être capable de produire environ 80 % de tous les isotopes théorisés.
Les deux premières expériences scientifiques du FRIB
Une équipe multi-institutions dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory, du Oak Ridge National Laboratory (ORNL), de l’Université du Tennessee, de Knoxville (UTK), de l’Université d’État du Mississippi et de l’Université d’État de Floride, en collaboration avec des chercheurs de la MSU, a commencé à mener la première expérience. au FRIB le 9 mai 2022. Le groupe a dirigé un faisceau de calcium-48 – un noyau de calcium avec 28 neutrons au lieu des 20 habituels – vers une cible en béryllium à 1 kW de puissance. Même à un quart de pour cent de la puissance maximale de 400 kW de l’installation, environ 40 isotopes différents sont passés par le séparateur aux instruments.
L’appareil FDSi a enregistré l’heure à laquelle chaque ion est arrivé, de quel isotope il s’agissait et quand il s’est désintégré. À partir de ces informations, la collaboration a déduit les demi-vies des isotopes ; l’équipe a déjà fait état de cinq demi-vies jusque-là inconnues.
La deuxième expérience FRIB a débuté le 15 juin 2022, dirigée par une collaboration de chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory, de l’ORNL, de l’UTK et de la MSU. L’installation a accéléré un faisceau de sélénium 82 et l’a utilisé pour produire des isotopes rares des éléments scandium, calcium et potassium. Ces isotopes se trouvent couramment dans les étoiles à neutrons, et le but de l’expérience était de mieux comprendre quel type de radioactivité ces isotopes émettent lors de leur désintégration. Comprendre ce processus pourrait faire la lumière sur la façon dont les étoiles à neutrons perdent de l’énergie.
Les deux premières expériences FRIB n’étaient que la pointe de l’iceberg des capacités de cette nouvelle installation. Au cours des prochaines années, le FRIB va explorer quatre grandes questions de physique nucléaire : premièrement, quelles sont les propriétés des noyaux atomiques avec une grande différence entre le nombre de protons et de neutrons ? Deuxièmement, comment les éléments se forment-ils dans le cosmos ? Troisièmement, les physiciens comprennent-ils les symétries fondamentales de l’univers, comme pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers ? Enfin, comment les informations sur les isotopes rares peuvent-elles être appliquées à la médecine, à l’industrie et à la sécurité nationale ?
Cette histoire a été mise à jour pour représenter correctement le nombre de neutrons dans le noyau de calcium-48.
Sean Liddick reçoit un financement du ministère de l’Énergie.
Artemis Spyrou reçoit un financement de la National Science Foundation aux États-Unis
