Un puissant accélérateur linéaire commence à casser des atomes – 2 scientifiques de l’équipe expliquent comment il peut détecter des formes rares de matière

Un nouvel accélérateur de particules à la Michigan State University devrait détecter des milliers d’isotopes jamais vus auparavant. (Crédit image : Installation de faisceaux d’isotopes rares, CC BY-ND)

Cet article a été initialement publié dans The Conversation (s’ouvrira dans un nouvel onglet). La publication a publié un article dans Expert Voices: Op-Ed & Insights sur Space.com.

Sean Liddick (s’ouvrira dans un nouvel onglet)professeur adjoint de chimie à la Michigan State University

Artémis Spearow (s’ouvrira dans un nouvel onglet)professeur de physique nucléaire à la Michigan State University

À quelques centaines de mètres de l’endroit où nous sommes assis se trouve une grande chambre métallique, dépourvue d’air et suspendue avec des fils nécessaires pour contrôler les instruments à l’intérieur. Le faisceau de particules se déplace silencieusement à l’intérieur de la chambre à environ la moitié de la vitesse de la lumière jusqu’à ce qu’il frappe un morceau de matériau solide, provoquant l’explosion des isotopes rares.

Tout cela se passe dans le Rare Isotope Beam Facility. (s’ouvrira dans un nouvel onglet), ou FRIB, qui est administré par la Michigan State University pour le Département américain de l’énergie. À partir de mai 2022, des équipes nationales et internationales de scientifiques se sont réunies à la Michigan State University et ont commencé à mener des expériences scientifiques au FRIB pour créer, isoler et étudier de nouveaux isotopes. Les expériences promettaient de fournir de nouvelles informations sur la nature fondamentale de l’univers.

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Nous sommes deux professeurs de chimie nucléaire et de physique nucléaire qui étudions les isotopes rares. Les isotopes sont, en un sens, différentes saveurs d’un élément avec le même nombre de protons dans le noyau mais un nombre différent de neutrons.

L’accélérateur de FRIB a démarré à faible puissance, mais lorsqu’il atteindra sa pleine puissance, ce sera l’accélérateur d’ions lourds le plus puissant sur Terre. En accélérant les ions lourds – les atomes électriquement chargés des éléments – FRIB permettra à des scientifiques comme nous de créer et d’étudier des milliers d’isotopes jamais vus auparavant. Une communauté d’environ 1 600 scientifiques nucléaires du monde entier. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) attendu une décennie pour commencer à faire de la science avec un nouvel accélérateur de particules.

Premières expérimentations sur FRIB (s’ouvrira dans un nouvel onglet) ont été achevés à l’été 2022. Bien que l’installation ne fonctionne actuellement qu’à une fraction de sa pleine capacité, les nombreuses équipes scientifiques travaillant au FRIB ont déjà produit et découvert une centaine d’isotopes rares. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Ces premiers résultats aident les chercheurs à en savoir plus sur certains des phénomènes physiques les plus rares de l’univers.

Qu’est-ce qu’un isotope rare ?

La plupart des isotopes nécessitent une quantité d’énergie incroyablement importante pour être produits. Dans la nature, des isotopes lourds rares sont produits lors de la mort catastrophique d’étoiles massives appelées supernovae, ou lors de la fusion de deux étoiles à neutrons.

À l’œil nu, deux isotopes de n’importe quel élément se ressemblent et se comportent de la même manière – tous les isotopes de l’élément mercure ressembleraient exactement au métal liquide utilisé dans les anciens thermomètres. Cependant, comme les noyaux isotopiques d’un même élément ont des nombres de neutrons différents, ils diffèrent par leur durée de vie, par le type de radioactivité qu’ils émettent et de bien d’autres manières.

Par exemple, certains isotopes sont stables, ne se désintègrent pas et n’émettent pas de rayonnement, ils sont donc largement distribués dans l’univers. D’autres isotopes du même élément peuvent être radioactifs, ils se désintègrent donc inévitablement en d’autres éléments. Parce que les isotopes radioactifs disparaissent avec le temps, ils sont relativement rares.

Cependant, toutes les caries ne se produisent pas au même rythme. Certains éléments radioactifs, tels que le potassium 40, émettent des particules lorsqu’ils se désintègrent à un rythme si faible qu’une petite quantité de l’isotope peut durer des milliards d’années. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). D’autres isotopes plus radioactifs, comme le magnésium 38, n’existent que pendant une fraction de seconde avant de se désintégrer en d’autres éléments. Les isotopes à courte durée de vie, par définition, ne vivent pas longtemps et sont rares dans l’univers. Donc, si vous voulez les apprendre, vous devez les fabriquer vous-même.

L’installation de faisceaux d’isotopes rares a été conçue pour permettre aux chercheurs de créer des isotopes rares et de les mesurer avant qu’ils ne se désintègrent. (Crédit image : Installation de faisceaux d’isotopes rares, CC BY-ND)

Créer des isotopes en laboratoire

Bien que seulement environ 250 isotopes se trouvent dans la nature sur Terre. (s’ouvrira dans un nouvel onglet)les modèles théoriques prédisent qu’environ 7 000 isotopes devraient exister dans la nature (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Les scientifiques ont utilisé des accélérateurs de particules pour produire environ 3 000 de ces isotopes rares. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Les caméras vertes utilisent des ondes électromagnétiques pour accélérer les ions chargés à près de la moitié de la vitesse de la lumière. (Crédit image : Installation de faisceaux d’isotopes rares, CC BY-ND)

Le booster FRIB mesure 1 600 pieds de long et se compose de trois segments pliés grossièrement en forme de trombone. Au sein de ces segments se trouvent de nombreuses chambres à vide extrêmement froides qui attirent et expulsent alternativement les ions avec de puissantes impulsions électromagnétiques. FRIB peut accélérer n’importe quel isotope naturel, qu’il soit léger comme l’oxygène ou lourd comme l’uranium, à environ la moitié de la vitesse de la lumière. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Pour créer des isotopes radioactifs, il vous suffit d’écraser ce faisceau d’ions sur une cible dure, comme un morceau de béryllium métallique ou un disque de carbone en rotation.

Il existe de nombreux instruments différents conçus pour mesurer les propriétés spécifiques des particules créées lors des expériences au FRIB, par exemple, cet instrument appelé FDSi est conçu pour mesurer les particules chargées, les neutrons et les photons. (Crédit image : Installation de faisceaux d’isotopes rares, CC BY-ND)

L’impact d’un faisceau d’ions sur une cible de fragmentation brise le noyau d’un isotope stable (s’ouvrira dans un nouvel onglet) et produit plusieurs centaines d’isotopes rares en même temps. Pour isoler les isotopes intéressants ou nouveaux du reste, un séparateur est placé entre la cible et les capteurs. Les particules avec la bonne quantité de mouvement et la bonne charge électrique traversent le séparateur et le reste est absorbé. Seul un sous-ensemble des isotopes souhaités atteindra de nombreux instruments. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) créé pour observer la nature des particules.

La probabilité de produire un isotope particulier au cours d’une seule collision peut être très faible. La chance de créer certains des isotopes exotiques les plus rares pourrait être de l’ordre de 1 sur un quadrillion. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) – à peu près les mêmes chances que de gagner des jackpots Mega Millions consécutifs. Mais les puissants faisceaux d’ions utilisés par FRIB contiennent tellement d’ions et produisent tellement de collisions en une seule expérience que l’équipe peut raisonnablement s’attendre à trouver même les isotopes les plus rares. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Selon les calculs, l’accélérateur FRIB devrait produire environ 80 % de tous les isotopes théoriques. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Deux premières expériences scientifiques FRIB

Une équipe multi-institutionnelle dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory, du Oak Ridge National Laboratory (ORNL), de l’Université du Tennessee, de Knoxville (UTK), de l’Université d’État du Mississippi et de l’Université d’État de Floride, ainsi que des chercheurs de l’Université d’État de Moscou, a commencé réalisation de la première expérience. au FRIB le 9 mai 2022. Le groupe a tiré un faisceau de calcium-48 – noyaux de calcium avec 28 neutrons au lieu des 20 habituels – sur une cible de béryllium de 1 kW. Même à un quart de pour cent de la puissance maximale de 400 kW de la centrale, environ 40 isotopes différents sont passés par le séparateur aux instruments. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

L’appareil FDSi a enregistré l’heure d’arrivée de chaque ion, de quel isotope il s’agissait et quand il s’est désintégré. À l’aide de ces informations, la collaboration a déterminé les demi-vies des isotopes ; l’équipe a déjà signalé cinq demi-vies jusque-là inconnues (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

La deuxième expérience FRIB a débuté le 15 juin 2022, dirigée par des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory, de l’ORNL, de l’UTK et de la MSU. L’installation a accéléré le faisceau de sélénium 82 et l’a utilisé pour produire des isotopes rares des éléments scandium, calcium et potassium. Ces isotopes se trouvent couramment dans les étoiles à neutrons, et le but de l’expérience était de mieux comprendre quel type de radioactivité ces isotopes émettent lorsqu’ils se désintègrent. Comprendre ce processus pourrait faire la lumière sur la façon dont les étoiles à neutrons perdent de l’énergie. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Les deux premières expériences FRIB n’étaient que la pointe de l’iceberg des possibilités de cette nouvelle installation. Dans les années à venir, le FRIB va explorer les quatre grandes questions de la physique nucléaire : premièrement, quelles sont les propriétés des noyaux atomiques avec une grande différence entre les nombres de protons et de neutrons ? Deuxièmement, comment les éléments se forment-ils dans l’espace ? Troisièmement, les physiciens comprennent-ils les symétries fondamentales de l’univers, comme pourquoi il y a plus de matière dans l’univers que d’antimatière ? Enfin, comment les informations sur les isotopes rares peuvent-elles être utilisées dans la médecine, l’industrie et la sécurité nationale ?

Cet historique a été mis à jour pour afficher correctement le nombre de neutrons dans un noyau de calcium-48.

Cet article est republié de The Conversation (s’ouvrira dans un nouvel onglet) sous licence Creative Commons. Lire l’article original (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

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