Une nouvelle technique pour étudier des noyaux atomiques à vie courte

Publié par Adrien le 21/12/2019 à 08:00
Source: CNRS IN2P3
L'équipe d'ALTO à Orsay a produit un faisceau très pur d'Etain 134 radioactif (134Sn) à demi-vie courte là où toutes les autres tentatives par la technique ISOL classique avaient échoué jusqu'à présent. L'exploit tient à la sulfuration des noyaux qui accélère l'extraction et permet une étude rapide avant désintégration. Cette technique promet d'élargir la gamme des noyaux exotiques accessibles avec la méthode ISOL.


Démonstration de l'effet "purifiant" de la sulfuration dans le cas d'un faisceau d'Étain 133(133Sn): en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan...), le Spectre d'émission gamma pour la 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...) 133 obtenu avec la technique d'extraction classique. En rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.), le spectre d'émission gamma pour la masse 167 (133 + Soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) 34) obtenu avec la sulfuration. Le contaminant isobarique antimoine (L'antimoine est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Sb (par abréviation du latin stibi ou stibium, du grec ancien...) 133 (133Sb) a bien été supprimé par la sulfuration. Une augmentation nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien νη̃ττα,...) de la production d'Étain 133 est observée par la voie de sulfuration. Le même effet agit pour l'Étain 134 mais cette comparaison n'est pas possible puisqu'il n'est pas possible de le produire par la technique classique.

La sulfuration accélère l'extraction des noyaux et purifie les faisceaux

L'idée a germé lorsqu'à plusieurs reprises, des contaminations ont produit des molécules de sulfure (En chimie, un sulfure est un composé chimique ou la combinaison de soufre avec un degré d'oxydation de -2, avec un autre élément...) d'étain dans les expériences de production de faisceaux radioactifs avec la méthode ISOL, une méthode où les ions radioactifs sont produits à l'aide d'une cible 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, autant...) et sont ensuite extraits, ionisés et séparés pour être étudiés. Clairement l'association Soufre/ Étain donnait une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) très stable et beaucoup plus volatile que l'Étain métallique seul.

Pourquoi dans ces conditions ne pas utiliser cette propriété pour accélérer l'extraction des noyaux d'Étains radioactifs afin d'avoir le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de les étudier avant leur désintégration ? En effet, certains isotopes générés ont une durée de vie (La vie est le nom donné :) trop courte et leur extraction est trop longue pour espérer les étudier dans la foulée. Or ce sont ces noyaux instables et fugaces que les scientifiques cherchent à observer pour mieux comprendre les phénomènes qui régissent la cohésion des noyaux. L'Étain 134 (134Sn) est de ceux-là. Ce noyau très proche de l'Étain doublement magique 132Sn (50 protons, 82 neutrons) a une demi vie de 1,05 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...), trop courte pour la technique ISOL classique.

Un protocole créé pour sulfuriser les noyaux d'Étain

Pour mettre en place un protocole de sulfuration, une collaboration s'est mise en place avec l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de physique nucléaire (La physique nucléaire est la science qui étudie non seulement le noyau atomique en tant que tel (élaboration d'un modèle...) d'Orsay (IPNO), le GANIL, CERN-ISOLDE et INFN-LNL (1). Le travail de développement conduit sur plusieurs années a fini par payer. "Nous avons créé un système d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) très précis de Soufre 34 (34S) sous forme gazeuse dans l'enceinte qui abrite la cible d'uranium fissile, et où se forme l'Étain radioactif" explique Maher Cheikh Mhamed ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre de produits, de systèmes ou de...) de 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...) et responsable du groupe R&D Cibles et sources d'ions à l'IPNO. "Les noyaux d'Étain réagissent donc dès leur formation avec le Soufre et ressortent sous forme moléculaire Étain+Soufre (134Sn34S) beaucoup plus vite de la cible".

Sans perdre de temps ces molécules sont ionisées, séparées et isolées dans un faisceau pour être étudiées. C'est ainsi que l'équipe a réussi pour la première fois à obtenir et observer un faisceau 134Sn34S. Mieux encore, ce faisceau est d'une pureté totale, dépourvu de contaminants (voir le spectre ci-dessous appliqué à l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un...) 133 de l'Étain). Autre observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...), le facteur SnS/Sn augmente à mesure que les noyaux sont de plus en plus exotiques. En d'autre termes, plus les noyaux seront exotiques, plus ils sortiront facilement. Le succès est complet et les chercheurs et chercheuses réfléchissent déjà à étendre son utilisation, notamment aux noyaux exotiques du germanium (Le germanium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Ge et de numéro atomique 32.).

Note:
(1) Travail réalisé dans le cadre de la tâche BeamLab de la JRA EURISOL du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une...) européen ENSAR2.
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