Pour la première fois, les physiciens du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et leurs collaborateurs, dirigé par une équipe du U.S. Army Research Laboratory, a démontré un effet nucléaire longtemps théorisé. Cette avancée teste des modèles théoriques qui décrivent comment les domaines nucléaire et atomique interagissent et peuvent également fournir de nouvelles informations sur la façon dont les éléments stellaires sont créés.

Les physiciens ont d'abord prédit l'effet, appelée excitation nucléaire par capture d'électrons (NEEC), il y a plus de 40 ans. Mais les scientifiques ne l'avaient pas vu jusqu'à présent. En utilisant le système d'accélérateur Linac Tandem d'Argonne (ATLAS), et Gammasphère, un puissant spectromètre gamma, les chercheurs ont créé les bonnes conditions pour provoquer et repérer le comportement.

L'effet NEEC se produit lorsqu'un atome chargé capture un électron, donner au noyau de l'atome suffisamment d'énergie pour passer à un état excité plus élevé.

Un noyau excité reste dans chaque état d'énergie pendant un certain temps avant de se désintégrer dans l'état inférieur, rejetant de l'énergie sous forme de rayons gamma. Ces états excités durent généralement beaucoup moins d'un milliardième de seconde, mais dans de rares cas, ils peuvent vivre beaucoup plus longtemps, même pour des millions de fois l'âge de l'univers.

Les états énergétiques à plus longue durée de vie sont appelés isomères, et d'observer l'effet NEEC, les chercheurs ont produit un isomère avec une demi-vie d'environ sept heures. En d'autres termes, après sept heures d'existence dans le niveau d'énergie isomérique, environ la moitié des noyaux de ce type se désintégreront.

Les scientifiques ont choisi de produire ce noyau, appelé ⁹³ Mo, un isotope du molybdène, en raison de sa disposition unique des niveaux d'énergie. "Il y a un niveau d'énergie autorisé pas loin au-dessus de l'état isomère, " a déclaré Chris Chiara du Laboratoire de recherche de l'armée, le scientifique principal de l'étude. « Dans des circonstances normales, l'isomère se désintègre naturellement après environ sept heures, mais si NEEC se produit, le noyau est excité hors de l'isomère à l'état légèrement supérieur. Cet état se désintègre ensuite rapidement à un état inférieur à l'isomère, émettant des rayons gamma qui ont des énergies distinctes que nous pouvons rechercher."

Faire ⁹³ Mo, les chercheurs ont utilisé ATLAS, une installation utilisateur du DOE Office of Science, accélérer un faisceau d'ions vers les atomes dans une feuille cible où les noyaux des deux fusionnent. Ces réactions ont formé ⁹³ Mo dans un état hautement excité au centre de la Gammasphère, qui a attendu pour détecter des preuves de l'effet sous la forme de rayons gamma.

Comme le ⁹³ Les atomes de Mo se déplacent à travers le matériau cible, ils se heurtent à des atomes qui les ralentissent et les dépouillent d'électrons, en les mettant dans un état de charge élevée. Les électrons des atomes cibles remplissent alors ces lacunes dans le ⁹³ Mo, et si les électrons ont la bonne énergie avant la capture, ils peuvent exciter le noyau dans l'état le plus élevé suivant. Lorsque cet état se dégrade, le noyau libère un rayon gamma qui remonte à la réaction NEEC.

La cible, fabriqué par le fabricant de cibles d'ATLAS, John Greene, joué un rôle crucial dans la détection des NEEC. Greene a pu travailler à la volée, peaufiner la cible au fur et à mesure que les scientifiques en apprenaient davantage sur la ⁹³ Noyau Mo. Avec tout en place, l'équipe a commencé à recueillir des données.

"Nous avons détecté des rayons gamma provenant de ces réactions au cours de l'expérience de trois jours, et nous avons accumulé environ huit milliards d'événements au total, " a déclaré Mike Carpenter, un chef de groupe à Argonne en charge de la Gammasphère. « De ces événements, nous avons pu identifier environ 500 rayons gamma émis lors de la désintégration de ⁹³ Mo qui n'aurait pas été publié sans NEEC."

La puissance et la sensibilité de la Gammasphère étaient vitales pour le succès de l'expérience. "Nous avons utilisé un nouveau mode Gammasphère numérique, ce qui nous a permis de fonctionner à une vitesse environ cinq fois supérieure à ce qui aurait été possible avec l'ancien système analogique, ", a déclaré Chiara. Mais ce n'était pas seulement le matériel d'ATLAS qui était important. "En tant qu'experts dans le domaine de la spectroscopie des rayons gamma, le personnel d'Argonne a apporté un soutien scientifique et technique inestimable, " il ajouta.

Le succès de l'équipe pourrait conduire à des avancées en astronomie et en cosmologie, car il pourrait améliorer la précision des modèles utilisés par les scientifiques pour évaluer la formation des étoiles. Les quantités d'éléments dans une étoile dépendent en grande partie de la structure et du comportement des noyaux. Sur de longues périodes, et avec un grand nombre d'atomes en interaction, la survie - ou la destruction - d'isomères spécifiques peut avoir une influence cumulative. La prise en compte de l'effet NEEC pourrait améliorer notre compréhension de la composition des étoiles et de leur évolution.

Les scientifiques de l'Army Research Laboratory s'intéressent également aux futures applications possibles de la libération contrôlée d'énergie nucléaire à partir d'isomères via l'effet NEEC. Si les scientifiques et les ingénieurs pouvaient exploiter cette énergie, cela pourrait aider à développer des sources d'énergie avec 100, 000 fois plus d'énergie par unité de masse que les batteries chimiques.

Les résultats de l'expérience ont été publiés dans un article intitulé « Déplétion d'isomères comme preuve expérimentale d'excitation nucléaire par capture d'électrons, " le 8 février à La nature .