En créant cinq nouveaux isotopes, une équipe de recherche internationale travaillant au Centre de faisceaux d'isotopes rares (FRIB) de l'Université d'État du Michigan a rapproché les étoiles de la Terre.
Les isotopes, connus sous les noms de thulium-182, thulium-183, ytterbium-186, ytterbium-187 et lutétium-190, sont rapportés dans la revue Physical Review Letters.
Il s'agit du premier lot de nouveaux isotopes fabriqués au FRIB, une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département américain de l'énergie, ou DOE-SC, qui soutient la mission du Bureau de physique nucléaire du DOE-SC. Les nouveaux isotopes montrent que FRIB est sur le point de créer des spécimens nucléaires qui n'existent actuellement que lorsque des corps célestes ultradenses appelés étoiles à neutrons s'écrasent les uns sur les autres.
"C'est ce qui est passionnant", a déclaré Alexandra Gade, professeur de physique à la FRIB et au département de physique et d'astronomie de la MSU et directrice scientifique de la FRIB. "Nous sommes convaincus que nous pouvons nous rapprocher encore plus des noyaux importants pour l'astrophysique."
Gade est également co-porte-parole du projet, dirigé par Oleg Tarasov, physicien de recherche principal au FRIB.
L'équipe de recherche comprenait une cohorte basée au FRIB et à la MSU, ainsi que des collaborateurs de l'Institut des sciences fondamentales en Corée du Sud et du RIKEN au Japon, un acronyme qui se traduit par Institut de recherche physique et chimique.
"C'est probablement la première fois que ces isotopes existent à la surface de la Terre", a déclaré Bradley Sherrill, professeur émérite au Collège des sciences naturelles de MSU et chef du département Advanced Rare Isotope Separator du FRIB.
Pour expliquer ce que signifie « avancé » dans ce contexte, Sherrill a déclaré que les chercheurs n'avaient besoin que de quelques particules individuelles d'un nouvel isotope pour confirmer son existence et son identité à l'aide des instruments de pointe du FRIB.
Les chercheurs sachant désormais comment fabriquer ces nouveaux isotopes, ils peuvent commencer à les produire en plus grandes quantités pour mener des expériences qui n’auraient jamais été possibles auparavant. Les chercheurs sont également impatients de suivre le chemin qu'ils ont tracé pour produire davantage de nouveaux isotopes qui ressemblent encore plus à ceux que l'on trouve dans les étoiles.
"J'aime faire l'analogie du voyage. Nous avions hâte d'aller dans un endroit où nous ne sommes jamais allés auparavant et c'est la première étape", a déclaré Sherrill. "Nous avons quitté la maison et nous commençons à explorer."
Notre soleil est une usine atomique cosmique. Il est suffisamment puissant pour prendre les noyaux de deux atomes d'hydrogène, ou noyaux, et les fusionner en un seul noyau d'hélium.
L'hydrogène et l'hélium sont les premières et les plus légères entrées du tableau périodique des éléments. Pour atteindre les éléments les plus lourds sur la table, il faut des environnements encore plus intenses que ceux que l'on trouve au soleil.
Les scientifiques émettent l'hypothèse que des éléments comme l'or, environ 200 fois plus massifs que l'hydrogène, sont créés lors de la fusion de deux étoiles à neutrons.
Les étoiles à neutrons sont les noyaux restants d'étoiles explosées qui étaient à l'origine beaucoup plus grosses que notre soleil, mais pas au point de pouvoir devenir des trous noirs dans leurs actes finaux. Bien qu'elles ne soient pas des trous noirs, les étoiles à neutrons contiennent néanmoins une immense quantité de masse dans une taille très modeste.
"Ils ont à peu près la taille de Lansing avec la masse de notre soleil", a déclaré Sherrill. "Ce n'est pas sûr, mais les gens pensent que tout l'or sur Terre a été produit lors de collisions d'étoiles à neutrons."
En fabriquant les isotopes présents sur le site d'une collision d'étoiles à neutrons, les scientifiques pourraient mieux explorer et comprendre les processus impliqués dans la fabrication de ces éléments lourds.
Les cinq nouveaux isotopes ne font pas partie de ce milieu, mais ce sont les scientifiques les plus proches qui soient parvenus à atteindre ce territoire spécial - et les perspectives d'y parvenir sont très bonnes.
Pour créer les nouveaux isotopes, l’équipe a envoyé un faisceau d’ions platine vers une cible en carbone. Le courant du faisceau divisé par l’état de charge était de 50 nanoampères. Depuis que ces expériences ont été réalisées, FRIB a déjà augmenté la puissance de son faisceau jusqu'à 350 nanoampères et prévoit d'atteindre jusqu'à 15 000 nanoampères.
En attendant, les nouveaux isotopes sont passionnants en eux-mêmes, offrant à la communauté de la recherche nucléaire de nouvelles opportunités d'avancer vers l'inconnu.
"Ce n'est pas une grande surprise que ces isotopes existent, mais maintenant que nous les avons, nous avons des collègues qui seront très intéressés par ce que nous pourrons mesurer ensuite", a déclaré Gade. "Je commence déjà à réfléchir à ce que nous pouvons faire ensuite en termes de mesure de leurs demi-vies, de leurs masses et d'autres propriétés."
La recherche de ces quantités dans des isotopes qui n'avaient jamais été disponibles auparavant aidera à éclairer et à affiner notre compréhension de la science nucléaire fondamentale.
"Il y a tellement plus à apprendre", a déclaré Sherrill. "Et nous sommes en route."
Plus d'informations : O. B. Tarasov et al, Observation de nouveaux isotopes dans la fragmentation du Pt198 au FRIB, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.072501
Fourni par l'Université de l'État du Michigan
