Figure illustrant le modèle échelonné impair-pair dans les tailles des noyaux d'isotopes de cuivre observés par les chercheurs. Crédit :de Groote et al.
Chercheurs de l'Institut voor Kern- en Stralingsfysica en Belgique et de l'Université de Manchester, en collaboration avec d'autres instituts dans le monde, ont récemment mené une étude visant à mesurer la taille du noyau (i.e., rayon de charge nucléaire) dans les isotopes de cuivre riches en neutrons. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , présente des observations d'un modèle de décalage impair-pair distinctif et intéressant dans les tailles des noyaux de ces isotopes.
« L'effet ahurissant impair-pair que nous avons observé, où le noyau avec un nombre impair de neutrons est généralement légèrement plus petit que leurs voisins à neutrons pairs, est plus ou moins constant dans la plupart des chaînes isotopiques, " Ruben Pieter de Groote, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "En cuivre, cependant, nous avons remarqué un échelonnement impair-pair amélioré pour les isotopes avec environ 40 neutrons, qui a ensuite semblé disparaître à l'approche de 50 neutrons."
Acquérir une compréhension approfondie du schéma ahurissant impair-pair observé par de Groote et ses collègues est loin d'être une quête facile, compliqué encore par le fait que ce modèle s'est avéré être dépendant des neutrons, ce qui était quelque peu inattendu. Pour explorer les raisons possibles de l'effet qu'ils ont observé, les chercheurs ont effectué une série de calculs de pointe basés sur la théorie nucléaire, puis ont comparé les résultats de ces calculs avec les données expérimentales qu'ils ont recueillies.
« L'isotope le plus difficile à mesurer, 78 Cu, a 29 protons et 49 neutrons, ce qui en fait un noyau très compliqué à étudier, à la fois expérimentalement et informatiquement, " dit de Groote. " Cependant, nous avons estimé que notre résultat expérimental était suffisamment important pour convaincre deux collaborateurs théoriques de poursuivre deux méthodes théoriques assez différentes, l'une basée sur les fonctionnelles de densité et l'autre basée sur la méthode du groupe de renormalisation de similarité dans l'espace de valence, qui présente une description 'ab-initio' pour les noyaux moyennement lourds."
Les deux approches théoriques utilisées par les chercheurs dans leur étude se sont avérées utiles pour expliquer différents aspects des mesures qu'ils ont recueillies. Alors que les calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité prédisaient les propriétés en vrac (par exemple les tailles nucléaires totales) avec une précision remarquablement élevée, la méthode enracinée dans la théorie des groupes de renormalisation de la similarité dans l'espace de valence a fourni une description détaillée de la tendance générale de l'effet d'étonnement impair-pair, car il a pris en compte des corrélations supplémentaires.
"Nos calculs ont montré que les deux théories contiennent des ingrédients essentiels pour décrire la structure nucléaire, mais qu'il y a encore du travail à faire, nous n'avons toujours pas une approche unique qui peut tout faire, " expliqua de Groote.
Dans leur récente étude, les chercheurs se sont concentrés sur les isotopes du cuivre à durée de vie très courte. Par exemple, la durée de vie de 78 Cu, l'un des isotopes examinés dans leur travail, est de 300 millisecondes, ce qui signifie qu'une seconde après sa production, l'isotope aura probablement déjà disparu. Ils ont donc dû utiliser des techniques leur permettant de produire et d'examiner des isotopes très rapidement, avant qu'ils ne se décomposent.
"Ce qui est très important lors de l'étude des isotopes radioactifs, c'est que les méthodes sont rapides et efficaces - il n'y a pas de temps pour collecter un grand échantillon d'isotopes, pour ensuite les étudier tranquillement plus tard, " a déclaré de Groote. " Les mesures doivent être effectuées 'en ligne'; nos outils de mesure et nos détecteurs doivent être couplés au site de production et fonctionner en parfaite synchronisation."
De Groote et ses collègues ont utilisé un accélérateur de particules connu sous le nom de PS-Booster du CERN, qui peut produire des protons à très haute énergie. Ces protons ont été dirigés vers l'installation ISOLDE du CERN, où ils ont percuté un morceau d'uranium, induisant une variété de réactions nucléaires différentes.
Les réactions nucléaires résultant de ce processus ont conduit à la production d'isotopes à travers tout le spectre, allant des atomes d'hélium légers aux éléments très lourds, comme le radium. Les isotopes du cuivre que les chercheurs ont entrepris d'étudier faisaient partie de ceux-ci, mais ils ont dû être extraits de la large gamme d'isotopes et purifiés.
"L'uranium a été chauffé jusqu'à environ 2000 degrés Celsius par l'équipe ISOLDE, afin que ces isotopes nouvellement produits ne restent pas, mais à la place s'est échappé dans une source d'ions :ici, ils ont été transformés en ions chargés, " a expliqué de Groote. " C'est une étape cruciale, car il nous permet d'utiliser des techniques électrostatiques et magnétiques pour accélérer tous les isotopes, sélectionnez ceux qui vous intéressent, et les guider vers différentes configurations de mesure sur le site d'ISOLDE."
Pour mesurer la taille des isotopes du cuivre, les chercheurs les ont illuminés avec deux faisceaux laser séparés. En réglant précisément la fréquence du premier laser, ils ont pu exciter un électron lié au noyau. Le deuxième faisceau laser a ensuite été utilisé pour « décoller » cet électron excité.
"En mesurant le nombre de particules chargées créées lorsque nous avons changé la fréquence du laser, nous pourrions déterminer l'énergie d'absorption exacte des atomes de cuivre, " dit de Groote. " Cette énergie d'absorption est directement liée aux tailles nucléaires; le changement d'énergie s'appelle le changement d'isotope—un petit changement de couleur aussi faible que 1 partie sur un million; rien que l'œil puisse voir, mais quelque chose auquel notre système est sensible."
La technique de mesure utilisée par de Groote et ses collègues, connue sous le nom de spectroscopie d'ionisation à résonance colinéaire, est un outil très efficace et précis pour mesurer les changements d'énergie dans les atomes. Leur dispositif expérimental est très sophistiqué, et il repose sur tous ses différents composants (c'est-à-dire, un grand accélérateur de particules, systèmes laser ultra-stables, outils de mesure de fréquence laser de haute précision, pièges à ions, pompes à ultra-vide et alimentations haute tension, etc.) pour fonctionner en symphonie.
Dans leur étude, les chercheurs l'ont utilisé pour identifier les «déplacements isotopiques» dans 14 isotopes de cuivre différents. La mesure de ces déplacements leur a finalement permis de déterminer les changements de leur taille, en fonction du nombre de neutrons contenus dans leur noyau.
"L'isotope le plus difficile n'a été produit qu'à un taux de 20 ions par seconde, et au total seulement environ 200, 000 ions ont été utilisés pour effectuer la mesure, " dit de Groote. " La masse totale de cet échantillon, si vous pouviez tout récupérer avant qu'il ne se désintègre radioactivement, serait de 0,00000000003 microgramme - par rapport aux objets typiques avec lesquels nous avons l'habitude d'interagir, c'est une quantité incroyablement petite de choses."
La technique employée par de Groote et ses collègues permet aux chercheurs d'étudier des isotopes qui ne peuvent actuellement être produits qu'en petites quantités et est également beaucoup plus efficace que d'autres outils de mesure de haute précision développés dans le passé. À l'avenir, leur méthode pourrait avoir un certain nombre d'implications importantes pour la recherche sur la structure nucléaire, car de nombreux isotopes intéressants sont instables et ne peuvent donc être produits qu'en petites quantités.
"Nos résultats montrent que beaucoup de ces noyaux peuvent maintenant être étudiés, " dit de Groote. " De nouvelles améliorations de notre méthode repousseront cette limite encore plus loin. En particulier, notre technique nous permet aujourd'hui d'approcher des noyaux dont la production est prévue dans les super- et kilonovae et qui n'ont pas encore été étudiés sur terre en laboratoire. De la même manière, les outils théoriques qui ont été développés représentent également des jalons majeurs dans la théorie nucléaire. »
En plus d'introduire une nouvelle technique de mesure de la taille des noyaux dans les isotopes à courte durée de vie, de Groote et ses collègues ont prouvé l'efficacité des constructions théoriques basées sur les fonctionnelles de densité et la méthode du groupe de renormalisation de la similarité dans l'espace de valence pour les études explorant la structure des isotopes avec des noyaux instables. Leur étude met en lumière les avantages et les inconvénients de ces cadres théoriques, qui pourraient être approfondis dans des études futures.
"Pour la présente étude, nous avons cueilli du cuivre, puisqu'il a 29 protons, " de Groote. " Cela fait de ces isotopes des sondes parfaites pour étudier le noyau sous-jacent de nickel (28 protons). 78 Ni (28 protons, 50 neutrons) est considéré comme un noyau doublement magique. Il n'y a que très peu de ces doublement magiques, systèmes à coque fermée, et ils constituent les pierres angulaires de la recherche sur la structure nucléaire, comme les gaz nobles pour la physique atomique.
De Groote et ses collègues travaillent actuellement sur une nouvelle étude portant sur les isotopes du potassium riches en neutrons, qui possèdent 19 protons et sont donc d'excellentes sondes d'isotopes magiques du calcium (c'est-à-dire à 20 protons). Ils ont déjà effectué les premiers calculs des rayons de charge de ces isotopes et envisagent désormais d'approfondir ces résultats.
« À plus long terme, une campagne de mesures sur les isotopes de l'indium et de l'étain, proche de la double magie 100 Sn et 132 isotopes Sn, était déjà amorcé, et se poursuivra dans les années à venir, " dit de Groote. " Ces isotopes sont à la frontière actuelle des théories nucléaires; les efforts expérimentaux et théoriques progressent donc bien en tandem. »
De Groote et ses collègues ont également commencé à utiliser la même méthode expérimentale introduite dans leur récent article pour étudier les molécules radioactives. Par exemple, ils ont récemment achevé la toute première étude spectroscopique du fluorure de radium, une molécule qui contient un atome de radium radioactif.
"Comme il n'y a pas d'isotopes stables du radium, cette molécule n'a jamais pu être étudiée auparavant, " expliqua de Groote. " C'est particulièrement excitant, car cela pourrait être la clé de la prochaine génération de recherche pour la physique au-delà du modèle standard."
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