Détecteur de plan focal du séparateur TASCA, dans lequel l'isotope mendelium-244 a été implanté et sa désintégration enregistrée. Crédit :Alexander Yakushev, GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung
Mieux comprendre les facteurs limitants à l'existence d'une stabilité, éléments superlourds est une quête vieille de dix ans de la chimie et de la physique. Éléments superlourds, comme sont appelés les éléments chimiques de numéros atomiques supérieurs à 103, ne se produisent pas dans la nature et sont produits artificiellement avec des accélérateurs de particules. Ils disparaissent en quelques secondes.
Une équipe de scientifiques du GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung Darmstadt, Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), Helmholtz Institute Mayence (HIM) et l'Université de Jyvaeskylae, Finlande, dirigé par le Dr Jadambaa Khuyagbaatar de GSI et HIM, a fourni de nouvelles informations sur les processus de fission dans ces noyaux exotiques et pour cela, a produit le noyau jusqu'ici inconnu mendelevium-244. Les expériences faisaient partie de "FAIR Phase 0, " la première étape du programme expérimental FAIR. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Lettres d'examen physique .
Les noyaux lourds et superlourds sont de plus en plus instables face au processus de fission, dans lequel le noyau se divise en deux fragments plus légers. Cela est dû à la répulsion de Coulomb de plus en plus forte entre le grand nombre de protons chargés positivement dans de tels noyaux, et est l'une des principales limitations à l'existence de noyaux superlourds stables.
Le processus de fission nucléaire a été découvert il y a plus de 80 ans et fait l'objet d'études approfondies à ce jour. La plupart des données expérimentales sur la fission spontanée concernent des noyaux avec un nombre pair de protons et de neutrons, appelés « noyaux pairs-pairs ». Les noyaux pairs-pairs sont entièrement constitués de paires de protons et de neutrons et leurs propriétés de fission sont assez bien décrites par les modèles théoriques. Dans les noyaux avec un nombre impair de neutrons ou de protons, un obstacle au processus de fission par rapport aux propriétés des noyaux pairs-pairs a été observé et remonte à l'influence d'un tel seul, constituant non apparié dans le noyau.
Cependant, l'obstacle de la fission dans les « noyaux impairs-impairs », ' contenant les deux, un nombre impair de protons et un nombre impair de neutrons, est moins connu. Les données expérimentales disponibles indiquent que le processus de fission spontanée dans de tels noyaux est fortement entravé, encore plus que dans les noyaux avec un seul type impair de constituants.
Une fois que la probabilité de fission est la plus réduite, d'autres modes de désintégration radioactive comme la désintégration alpha ou la désintégration bêta deviennent probables. Dans la désintégration bêta, un proton se transforme en neutron (ou vice versa) et, par conséquent, les noyaux impairs-impairs se transforment en noyaux pairs-pairs, qui ont généralement une probabilité de fission élevée. Par conséquent, si une activité de fission est observée dans des expériences sur la production d'un noyau impair-impair, il est souvent difficile d'identifier si la fission s'est produite dans le noyau impair-impair, ou pas plutôt commencé à partir de la fille de la bêta-décomposition paire-même, qui peut alors subir une fission bêta-retardée. Récemment, Le Dr Jadambaa Khuyagbaatar de GSI et HIM a prédit que ce processus de fission à retard bêta pourrait être très pertinent pour les noyaux les plus lourds et, en fait, pourrait être l'un des principaux modes de désintégration des noyaux superlourds à désintégration bêta.
Découpez la carte des noyaux dans la région des noyaux mendelevium. Chaque case représente un noyau atomique, le nombre de protons augmentant dans le sens vertical et le nombre de neutrons dans le sens horizontal. Les noyaux connus sont représentés par des cases colorées, où la couleur indique le mode de désintégration nucléaire :désintégration alpha (jaune), désintégration bêta (brun), fission spontanée (vert). Les encadrés épais indiquent les noyaux impairs-impairs, dans lequel la fission à retard bêta a été prédite avec une probabilité> 1 % parmi toutes les désintégrations bêta (données tirées de J. Khuyagbaatar, EUR. Phys. J.A 55, 134 (2019)). Les probabilités sont indiquées en bleu. L'emplacement et les propriétés de désintégration du nouvel isotope mendelevium-244 sont mis en évidence. Crédit :J. Khuyagbaatar, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Dans les noyaux superlourds, qui sont extrêmement difficiles à produire expérimentalement, la désintégration bêta n'a pas encore été observée de manière concluante. Par exemple, dans le cas de l'élément le plus lourd produit à GSI Darmstadt, tennessine (élément 117), seuls deux atomes du noyau impair-impair tennessine-294 ont été observés dans une expérience qui a duré environ un mois. Ces faibles cadences de production limitent la vérification et l'étude détaillée du processus de fission retardée par désintégration bêta. Toujours, les nouvelles données expérimentales pour faire la lumière sur ce processus sont mieux obtenues dans les noyaux exotiques, comme ceux qui ont un rapport protons/neutrons extrêmement déséquilibré. Pour ça, l'équipe de GSI, JGU, HIM et l'Université de Jyväskylä ont produit le noyau jusqu'ici inconnu mendelevium-244, un noyau impair composé de 101 protons et 143 neutrons.
L'estimation théorique suggère que la désintégration bêta de ce noyau sera suivie d'une fission dans environ un cas sur cinq. En raison de la grande libération d'énergie du processus de fission, cela peut être détecté avec une sensibilité élevée, tandis que les désintégrations bêta sont plus difficiles à mesurer. Les chercheurs ont utilisé un faisceau intense de titane-50 disponible à l'accélérateur UNILAC de GSI pour irradier une cible d'or. Les produits de réaction des noyaux de titane et d'or ont été séparés dans le Transactinide Separator and Chemistry TASCA, qui a guidé les noyaux de mendelevium dans un détecteur au silicium adapté pour enregistrer l'implantation des noyaux ainsi que leur désintégration ultérieure.
Une première partie des études, réalisée en 2018, a conduit à l'observation de sept atomes de mendelevium-244. En 2020, les chercheurs ont utilisé une énergie de faisceau de titane-50 inférieure, ce qui est insuffisant pour conduire à la production de mendelevium-244. En effet, des signaux comme ceux attribués au mendelevium-244 dans l'étude de 2018 étaient absents dans cette partie de l'ensemble de données, corroborant la bonne affectation des données 2018 et confirmant la découverte du nouvel isotope.
Le chef de l'expérience, Le Dr Jadambaa Khuyagbaatar debout dans le hall expérimental X8 devant le séparateur TASCA utilisé dans l'expérience mendelevium-244. Crédit :Antonio Di Nitto
Tous les sept noyaux atomiques enregistrés ont subi une désintégration alpha, c'est à dire., l'émission d'un noyau d'hélium-4, qui a conduit à l'isotope fille einsteinium-240, découvert il y a quatre ans par une précédente expérience menée à l'Université de Jyväskylä. La désintégration bêta n'a pas été observée, ce qui permet d'établir une limite supérieure sur ce mode de décroissance de 14 pour cent. Si la probabilité de fission de 20 % de tous les noyaux en décomposition bêta était correcte, la probabilité totale de fission retardée bêta serait d'au plus 2,8 pour cent et son observation nécessiterait la production de beaucoup plus d'atomes de mendelevium-244 que dans cette expérience de découverte.
En plus du mendelevium-244 à désintégration alpha, les chercheurs ont trouvé des signaux d'événements de fission de courte durée avec des caractéristiques inattendues concernant leur nombre, probabilité de production, et demi-vie. Leur origine ne peut actuellement être localisée exactement, et n'est en fait pas facilement explicable avec les connaissances actuelles sur la production et la désintégration des isotopes dans la région du mendelevium-244. Cela motive des études de suivi pour obtenir des données plus détaillées, ce qui aidera à mieux comprendre le processus de fission dans les noyaux impairs-impairs.
