Amener d'énormes quantités de protons à la vitesse la plus courte en quelques fractions de seconde, c'est ce que la technologie d'accélération laser, grandement amélioré ces dernières années, peut faire. Une équipe de recherche internationale du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung et du Helmholtz Institute Jena, une filiale de GSI, en collaboration avec le Lawrence Livermore National Laboratory, NOUS., a réussi à utiliser des protons accélérés avec le laser haute puissance GSI PHELIX pour séparer d'autres noyaux et les analyser. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Rapports scientifiques sur la nature et pourrait fournir de nouvelles informations sur les processus astrophysiques.

Pendant moins d'une picoseconde (un billionième de seconde), le laser PHELIX projette son impulsion lumineuse extrêmement intense sur une feuille d'or très fine. C'est suffisant pour éjecter environ mille milliards de noyaux d'hydrogène (protons), qui ne sont que faiblement attachés à l'or, de la face arrière de la feuille, et les accélérer à des énergies élevées. "Un si grand nombre de protons dans un si court laps de temps ne peut pas être atteint avec des techniques d'accélération standard, " explique Pascal Boller, qui effectue des recherches sur l'accélération laser dans le département de recherche GSI Physique des plasmas/PHELIX dans le cadre de ses études supérieures. « Avec cette technologie, des domaines de recherche complètement nouveaux peuvent être ouverts qui étaient auparavant inaccessibles."

Il s'agit notamment de la génération de réactions de fission nucléaire. Dans ce but, les chercheurs ont laissé les protons rapides fraîchement générés heurter des échantillons de matière uranifère. L'uranium a été choisi comme matériau d'étude de cas en raison de sa grande section efficace de réaction et de la disponibilité de données publiées à des fins d'analyse comparative. Les échantillons doivent être proches de la production de protons pour garantir un rendement maximal des réactions. Les protons générés par le laser PHELIX sont suffisamment rapides pour induire la fission des noyaux d'uranium en produits de fission plus petits, qui restent ensuite à identifier et à mesurer. Cependant, l'impact laser a des effets secondaires indésirables :il génère une forte impulsion électromagnétique et un flash gamma qui interfèrent avec les instruments de mesure sensibles utilisés pour cette détection.

À ce stade, les chercheurs sont assistés par l'expertise d'un autre groupe de recherche du GSI. Pour l'étude chimique des éléments superlourds, un système de transport est utilisé depuis un certain temps et peut transporter les particules souhaitées sur de longues distances de la zone de réaction au détecteur. La chambre de réaction est balayée par un gaz qui, dans le cas d'expériences de fission, emporte avec lui les produits de fission et, en quelques secondes seulement, les transporte via de petits tubes en plastique jusqu'à l'appareil de mesure, qui est maintenant à plusieurs mètres. De cette façon, la génération et la mesure peuvent être spatialement séparées et les interférences peuvent être évitées.

Pour la première fois, il a été possible dans les expériences de combiner les deux techniques et ainsi de générer une variété de césium, les isotopes du xénon et de l'iode via la fission de l'uranium, de les identifier de manière fiable grâce à leur rayonnement gamma émis et d'observer leur courte durée de vie. Cela fournit une méthodologie pour étudier les réactions de fission dans la matière à l'état de plasma à haute densité. Des conditions comparables peuvent être trouvées, par exemple, dans l'espace à l'intérieur des étoiles, explosions stellaires ou fusions d'étoiles à neutrons. « Comprendre les processus de réaction des noyaux interagissant les uns avec les autres dans le plasma peut nous donner un aperçu de l'origine des noyaux atomiques, la soi-disant nucléosynthèse, dans notre univers. Les processus de nucléosynthèse tels que le processus s ou le processus r ont lieu exactement dans ces milieux, " explique Boller. " Le rôle que jouent les réactions de fission dans ces processus n'a pas encore été étudié en détail. Ici, les protons accélérés par laser peuvent fournir de nouvelles informations."

D'autres mesures avec les méthodes sont prévues pour les futures expériences du laser PHELIX au GSI ainsi que dans d'autres centres de recherche à travers le monde. L'étude de la matière très dense avec des faisceaux ioniques et laser sera également l'un des thèmes poursuivis dans le futur centre de recherche FAIR. FAIR est actuellement en cours de construction chez GSI en coopération internationale. Avec sa devise "L'Univers au Laboratoire, " il est destiné à reproduire les conditions telles qu'elles se produisent dans les environnements astrophysiques sur Terre, élargissant ainsi les connaissances sur notre cosmos.