Un mystère de longue date dans le domaine de la physique nucléaire est la raison pour laquelle l'univers est composé des matériaux spécifiques que nous voyons autour de nous. En d'autres termes, pourquoi est-il fait de "ceci" truc et pas d'autre truc ?

Les processus physiques responsables de la production d'éléments lourds, comme l'or, du platine et de l'uranium - que l'on pense se produire lors de fusions d'étoiles à neutrons et d'événements stellaires explosifs.

Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont dirigé une expérience internationale de physique nucléaire menée au CERN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, qui utilise de nouvelles techniques développées à Argonne pour étudier la nature et l'origine des éléments lourds dans l'univers. L'étude peut fournir des informations critiques sur les processus qui fonctionnent ensemble pour créer les noyaux exotiques, et il informera les modèles d'événements stellaires et de l'univers primitif.

Les physiciens nucléaires de la collaboration sont les premiers à observer la structure en coquille de neutrons d'un noyau avec moins de protons que le plomb et plus de 126 neutrons — des « nombres magiques » dans le domaine de la physique nucléaire.

A ces nombres magiques, dont 8, 20, 28, 50 et 126 sont des valeurs canoniques, les noyaux ont une stabilité accrue, tout comme les gaz nobles le font avec des couches d'électrons fermées. Les noyaux dont les neutrons dépassent le nombre magique de 126 sont largement inexplorés car ils sont difficiles à produire. La connaissance de leur comportement est cruciale pour comprendre le processus rapide de capture de neutrons, ou r -traiter, qui produit de nombreux éléments lourds de l'univers.

Les r On pense que le processus se produit dans des conditions stellaires extrêmes telles que les fusions d'étoiles à neutrons ou les supernovae. Ces environnements riches en neutrons sont l'endroit où les noyaux peuvent se développer rapidement, capturer les neutrons pour produire des éléments nouveaux et plus lourds avant qu'ils n'aient la chance de se désintégrer.

Cette expérience s'est concentrée sur l'isotope du mercure ²⁰⁷ Hg. L'Etude de ²⁰⁷ Hg pourrait faire la lumière sur les propriétés de ses proches voisins, noyaux directement impliqués dans les aspects clés de la r -traiter.

"L'une des plus grandes questions de ce siècle a été de savoir comment les éléments se sont formés au début de l'univers, " a déclaré le physicien d'Argonne Ben Kay, le scientifique principal de l'étude. "C'est difficile de faire des recherches parce que nous ne pouvons pas simplement aller déterrer une supernova de la terre, nous devons donc créer ces environnements extrêmes et étudier les réactions qui s'y produisent."

Pour étudier la structure de ²⁰⁷ Hg, les chercheurs ont d'abord utilisé l'installation HIE-ISOLDE au CERN à Genève, La Suisse. Un faisceau de protons à haute énergie a été tiré sur une cible de plomb fondu, les collisions qui en résultent produisent des centaines d'isotopes exotiques et radioactifs.

Ils se sont ensuite séparés ²⁰⁶ noyaux de Hg des autres fragments et utilisé l'accélérateur HIE-ISOLDE du CERN pour créer un faisceau de noyaux avec la plus haute énergie jamais atteinte dans cet accélérateur. Ils ont ensuite concentré le faisceau sur une cible de deutérium à l'intérieur du nouveau spectromètre solénoïdal (ISS) ISOLDE.

"Aucune autre installation ne peut fabriquer des faisceaux de mercure de cette masse et les accélérer à ces énergies, " dit Kay. " Ceci, couplé au pouvoir de résolution exceptionnel de l'ISS, nous a permis d'observer le spectre des états excités dans ²⁰⁷ Hg pour la première fois."

L'ISS est un spectromètre magnétique nouvellement développé que les physiciens nucléaires ont utilisé pour détecter les cas de ²⁰⁶ Noyaux de Hg capturant un neutron et devenant ²⁰⁷ Hg. L'aimant solénoïde du spectromètre est un aimant IRM supraconducteur de 4 Tesla recyclé provenant d'un hôpital australien. Il a été déplacé au CERN et installé à ISOLDE, grâce à une collaboration dirigée par le Royaume-Uni entre l'Université de Liverpool, Université de Manchester, Laboratoire Daresbury et collaborateurs de la KU Leuven en Belgique.

Deutérium, un isotope lourd rare de l'hydrogène, se compose d'un proton et d'un neutron. Lorsque ²⁰⁶ Hg capture un neutron de la cible de deutérium, le proton recule. Les protons émis lors de ces réactions voyagent jusqu'au détecteur de l'ISS, et leur énergie et leur position fournissent des informations clés sur la structure du noyau et la façon dont il est lié. Ces propriétés ont un impact important sur la r -traiter, et les résultats peuvent éclairer d'importants calculs dans les modèles d'astrophysique nucléaire.

L'ISS utilise un concept pionnier suggéré par l'éminent collègue d'Argonne, John Schiffer, qui a été construit comme le spectromètre orbital hélicoïdal du laboratoire, HELIOS - l'instrument qui a inspiré le développement du spectromètre ISS. HELIOS a permis l'exploration de propriétés nucléaires autrefois impossibles à étudier, mais grâce à HELIOS, sont réalisées à Argonne depuis 2008. L'installation ISOLDE du CERN peut produire des faisceaux de noyaux qui complètent ceux qui peuvent être produits à Argonne.

Depuis un siècle, les physiciens nucléaires ont pu recueillir des informations sur les noyaux à partir de l'étude des collisions où des faisceaux d'ions légers heurtent des cibles lourdes. Cependant, lorsque des faisceaux lourds frappent des cibles légères, la physique de la collision devient déformée et plus difficile à analyser. Le concept HELIOS d'Argonne était la solution pour supprimer cette distorsion.

"Lorsque vous avez un boulet de canon d'un faisceau frappant une cible fragile, la cinématique change, et les spectres résultants sont compressés, " a déclaré Kay. " Mais John Schiffer s'est rendu compte que lorsque la collision se produit à l'intérieur d'un aimant, les protons émis se déplacent en spirale vers le détecteur, et par un « truc » mathématique, cela déroule la compression cinématique, résultant en un spectre non compressé qui révèle la structure nucléaire sous-jacente."

Les premières analyses des données de l'expérience du CERN confirment les prédictions théoriques des modèles nucléaires actuels, et l'équipe prévoit d'étudier d'autres noyaux dans la région de ²⁰⁷ Hg en utilisant ces nouvelles capacités, donnant un aperçu plus approfondi des régions inconnues de la physique nucléaire et de la r -traiter.

Les résultats de cette étude ont été publiés dans un article intitulé "First exploration of neutron shell structure below lead and beyond N =126" le 13 février dans le Lettres d'examen physique .