ISOLDE: première spectroscopie laser de molécules radioactives à vie courte

Publié par Redbran le 17/06/2020 à 13:00
Source: CERN
Une équipe internationale d'expérimentateurs et de théoriciens travaillant auprès de l'installation de physique nucléaire du CERN, ISOLDE, a réussi à effectuer les premières mesures par spectroscopie laser jamais réalisées d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité...) radioactive à durée de vie (La vie est le nom donné :) courte, le monofluorure de radium (Le radium est un élément chimique de symbole Ra et de numéro atomique 88.)

La spectroscopie laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...), qui consiste à exposer des molécules à une lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...) laser pour révéler leur structure d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), est un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande...) d'analyse standard de l'étude des molécules en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...). Jusqu'à présent, cependant, il n'était pas possible d'utiliser cette technique pour étudier les molécules radioactives à vie courte, contenant un ou plusieurs noyaux instables. L'étude de ce type de molécules, plutôt que d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...), est un bon moyen d'explorer les symétries fondamentales de la nature et de chercher de nouveaux phénomènes de physique. Les résultats publiés aujourd'hui dans la revue Nature constituent une avancée décisive dans l'utilisation de ces molécules pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) en physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) et dans d'autres domaines.


Le dispositif de spectroscopie colinéaire par ionisation résonante (Collinear Resonance Ionisation Spectroscopy - CRIS) à ISOLDE, l'installation de physique nucléaire (La physique nucléaire est la science qui étudie non seulement le noyau atomique en tant que tel (élaboration d'un modèle théorique) mais aussi la façon dont il interagit lorsqu'une particule...) au CERN (Image: CERN)

"Nos mesures montrent qu'il est possible de refroidir des molécules de monofluorure de radium à des températures qui permettront de les étudier de façon extrêmement détaillée, explique Ronald Garcia Ruiz, responsable scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) de l'étude. Ces résultats ouvrent la voie à des études de précision de molécules radioactives à vie courte, qui constituent un terrain nouveau et exceptionnel pour la recherche en physique fondamentale et dans d'autres disciplines."

Les molécules de monofluorure de radium sont particulièrement intéressantes parce qu'elles contiennent du radium, dont certains isotopes ont des noyaux en forme de poire (La poire est un fruit climactérique constitué du réceptacle floral, le piridion, sur le plan botanique considéré comme un faux-fruit, à pépins issu du poirier...), avec plus de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) d'un côté que de l'autre. Cette forme spécifique amplifie des processus qui brisent les symétries fondamentales de la nature et cela pourrait révéler de nouveaux phénomènes de physique au-delà du Modèle standard.

Ainsi, les processus qui brisent la symétrie de renversement du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), autrement dit, qui varient si l'on inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...) la flèche du temps, donneraient aux particules un moment dipolaire électrique. On pourrait décrire ce phénomène comme un déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) du nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage...) de particules virtuelles entourant chaque particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont...), qui s'éloignerait du centre de masse. Le Modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements,...) prédit un moment dipolaire électrique non nul, mais de valeur très faible. Toutefois, certaines théories au-delà du Modèle standard prédisent des valeurs plus élevées. Les formes en poire des noyaux amplifieraient un éventuel moment dipolaire électrique, et joueraient donc le rôle de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une...) permettant d'explorer des phénomènes au-delà du Modèle standard ; cette recherche serait complémentaire des études sur la nouvelle physique menées auprès de collisionneurs de particules à hautes énergies, tels que le LHC.

L'expérience s'appuie sur des recherches théoriques relatives à la structure d'énergie du monofluorure de radium. Ces études ont prédit que la molécule pouvait subir un refroidissement par laser - il s'agit d'un processus dans lequel on utilise des lasers pour refroidir des atomes ou des molécules pour des études de précision. "Cette étude par spectroscopie laser du monofluorure de radium à ISOLDE montre de façon probante que les molécules peuvent effectivement subir un refroidissement laser", explique la porte-parole d'ISOLDE Gerda Neyens.

Pour arriver à ces résultats, R. Garcia Ruiz et ses collègues ont utilisé la méthode suivante: pour produire des isotopes radioactifs du radium, des protons issus du Booster (Le nom de booster (ou propulseur d'appoint) est donné au moteur-fusée qui est attaché aux navettes spatiales américaines.[1] Par généralisation, le terme...) du PS du CERN ont été projetés sur une cible de carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils présentent donc une formulation générale de type CxXy.) d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent,...) ; la cible était entourée de tétrafluorure de carbone (Le Tétrafluorure de carbone (CF4) ou Perfluorométhane ouTétrafluorométhane ou Fréon 14 ou R 14 ou Halon 14 ou CF4 est un gaz fluoré.) gazeux afin que se forment des ions de monofluorure de radium. Les ions de monofluorure de radium ont alors été envoyés dans le dispositif de spectroscopie colinéaire par ionisation résonante (Collinear Resonance Ionisation Spectroscopy - CRIS) d'ISOLDE, où les ions ont été transformés en molécules neutres, lesquelles ont ensuite été exposées à un rayon laser qui les a portées à des niveaux d'énergie plus élevés à des fréquences laser spécifiques. Un sous-ensemble (En mathématiques, un ensemble A est un sous-ensemble ou une partie d’un ensemble B, ou encore B est sur-ensemble de A, si tout élément du sous-ensemble A est aussi élément du...) de ces molécules excitées a alors été ionisé au moyen d'un deuxième rayon laser, puis dévié sur un détecteur de particules (Un détecteur de particules est un appareil de physique des particules qui permet de détecter le passage d'une particule, et, généralement, d'en déduire sa masse et sa charge électrique.) pour analyse.

En analysant les spectres mesurés des molécules ionisées excitées, l'équipe a pu identifier les niveaux d'énergie les plus bas des molécules, et déterminer certaines des propriétés qui font que les molécules peuvent être refroidies par laser pour de futures études de précision.

"Notre technique permet l'étude de molécules de monofluorure de radium ayant des durées de vie très courtes (quelques jours) qui sont produites avec un débit inférieur à un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un...) de molécules par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...)", explique R. Garcia Ruiz.

En dehors de leur potentiel pour l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) des symétries fondamentales, ces molécules faites d'isotopes à durée de vie courte sont très abondantes dans l'espace, par exemple dans les résidus de supernovas, ou dans les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout...) provenant des fusions d'étoiles à neutrons.

"Nous pensons que cette méthode peut aussi être employée pour effectuer une spectroscopie laser sur d'autres molécules, y compris des molécules contenant des isotopes ayant des durées de vie de quelques dixièmes de millisecondes", ajoute R. Garcia Ruiz. Cela ouvre la voie à de futures études portant sur des molécules sur mesure, conçues pour amplifier les propriétés de violation de symétries.

Vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à...) de présentation de l'installation de physique nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) du CERN, ISOLDE (Video: CERN)
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