À quelques centaines de mètres de l’endroit où nous sommes assis se trouve une grande chambre métallique dépourvue d’air et drapée des fils nécessaires au contrôle des instruments qui s’y trouvent. Un faisceau de particules traverse silencieusement l’intérieur de la chambre à environ la moitié de la vitesse de la lumière jusqu’à ce qu’il se fracasse sur un morceau de matériau solide, provoquant une explosion d’isotopes rares.
Tout cela se passe dans l’installation de faisceaux d’isotopes rares, ou FRIB, qui est exploitée par l’université d’État du Michigan pour l’Office of Science du ministère américain de l’énergie. À partir de mai 2022, des équipes nationales et internationales de scientifiques ont convergé vers la Michigan State University et ont commencé à mener des expériences scientifiques au FRIB dans le but de créer, d’isoler et d’étudier de nouveaux isotopes. Ces expériences promettent de fournir de nouvelles informations sur la nature fondamentale de l’univers.
En accélérant des ions lourds, des atomes d’éléments chargés électriquement, le FRIB permettra à des scientifiques comme nous de créer et d’étudier des milliers d’isotopes jamais vus auparavant.
Nous sommes deux professeurs de chimie nucléaire et de physique nucléaire qui étudions les isotopes rares. Les isotopes sont, en quelque sorte, différentes saveurs d’un élément ayant le même nombre de protons dans leur noyau mais un nombre différent de neutrons.
L’accélérateur du FRIB a commencé à fonctionner à faible puissance, mais lorsqu’il aura atteint sa pleine puissance, il sera l’accélérateur d’ions lourds le plus puissant de la planète. En accélérant des ions lourds &mdash ; des atomes d’éléments chargés électriquement &mdash ; le 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 attend depuis une décennie de pouvoir commencer à faire de la science grâce à ce nouvel accélérateur de particules.
Les premières expériences au FRIB ont été réalisées au cours de l’été 2022. Même si l’installation ne fonctionne actuellement qu’à une fraction de sa pleine puissance, de multiples collaborations scientifiques travaillant au FRIB ont déjà produit et détecté une centaine d’isotopes rares. Ces premiers résultats aident les chercheurs à découvrir certaines des caractéristiques physiques les plus rares de l’univers.
https://www.youtube.com/watch?v=yGHuZnfnUtI /
Les isotopes rares sont radioactifs et se désintègrent au fil du temps en émettant des rayonnements ; on peut voir ici les stries provenant du petit morceau d’uranium au centre.
Qu’est-ce qu’un isotope rare ?
Il faut des quantités d’énergie incroyablement élevées pour produire la plupart des isotopes. Dans la nature, les isotopes rares lourds sont produits lors de la mort cataclysmique d’étoiles massives appelées supernovas ou lors de la fusion de deux étoiles à neutrons.
À l’œil nu, deux isotopes de n’importe quel élément ont la même apparence et se comportent de la même manière ; par exemple, tous les isotopes de l’élément mercure ressemblent au métal liquide utilisé dans les anciens thermomètres. Cependant, comme les noyaux des isotopes d’un même élément ont un nombre différent de neutrons, ils diffèrent par leur durée de vie, le type de radioactivité qu’ils émettent et de nombreuses autres façons.
Le FRIB peut accélérer tout isotope naturel, qu’il soit aussi léger que l’oxygène ou aussi lourd que l’uranium, à environ la moitié de la vitesse de la lumière.
Par exemple, certains isotopes sont stables et ne se désintègrent pas et n’émettent pas de rayonnement, ils sont donc communs dans l’univers. D’autres isotopes du même élément peuvent être radioactifs et se désintégrer inévitablement en se transformant en d’autres éléments. Comme les isotopes radioactifs disparaissent avec le temps, ils sont relativement plus rares.
Cependant, la désintégration ne se produit pas toujours au même rythme. Certains éléments radioactifs, comme le potassium 40, émettent des particules par désintégration à un taux si faible qu’une petite quantité de l’isotope peut durer des milliards d’années. D’autres isotopes plus hautement 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 survivent pas longtemps et sont rares dans l’univers. Si vous voulez les étudier, vous devez donc les fabriquer vous-même.
Créer des isotopes en laboratoire
Alors que seulement 250 isotopes environ sont présents naturellement sur Terre, les modèles théoriques prévoient qu’environ 7 000 isotopes devraient exister dans la nature. Les scientifiques ont utilisé des accélérateurs de particules pour produire environ 3 000 de ces isotopes rares.
L’accélérateur FRIB mesure 1 600 mètres carrés.Il est composé de trois segments pliés à peu près en forme de trombone. À l’intérieur de ces segments se trouvent de nombreuses chambres à vide extrêmement froides qui tirent et poussent alternativement les ions à l’aide de puissantes impulsions électromagnétiques. Le FRIB peut accélérer tout isotope naturel, qu’il soit aussi léger que l’oxygène ou aussi lourd que l’uranium, à environ la moitié de la vitesse de la lumière. Pour créer des isotopes radioactifs, il suffit de frapper ce faisceau d’ions sur une cible solide, comme un morceau de béryllium métallique ou un disque rotatif de carbone.
L’impact du faisceau d’ions sur la cible de fragmentation brise le noyau de l’isotope stable et produit simultanément plusieurs centaines d’isotopes rares. Pour isoler les isotopes intéressants ou nouveaux du reste, un séparateur se trouve entre la cible et les capteurs. Les particules ayant la bonne impulsion et la bonne charge électrique passent à travers le séparateur tandis que les autres sont absorbées. Seul un sous-ensemble des isotopes souhaités atteindra les nombreux instruments construits pour observer la nature des particules.
La probabilité de créer un isotope spécifique lors d’une seule collision peut être très faible. Les chances de créer certains des isotopes exotiques les plus rares peuvent être de l’ordre de 1 sur un quadrillion &mdash ; à peu près les mêmes chances que de gagner deux fois de suite le jackpot Mega Millions. Mais les puissants faisceaux d’ions utilisés par le FRIB contiennent tellement d’ions et produisent tellement de collisions en une seule expérience que l’équipe peut raisonnablement espérer trouver même les isotopes les plus rares. D’après les calculs, l’accélérateur du FRIB devrait être capable de produire environ 80 % de tous les isotopes théoriques.
Les deux premières expériences scientifiques du FRIB
Une équipe multi-institutionnelle dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory, de l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL), de l’Université du Tennessee, Knoxville (UTK), de la Mississippi State University et de la Florida State University, ainsi que des chercheurs du MSU, a commencé à réaliser la première expérience du FRIB le 9 mai 2022. Le groupe a dirigé un faisceau de calcium-48 &mdash ; un noyau de calcium avec 48 neutrons au lieu des 20 habituels &mdash ; dans une cible de béryllium à 1 kW de puissance. Même à un quart de pour cent de la puissance maximale de 400 kW de l’installation, environ 40 isotopes différents ont traversé le séparateur jusqu’aux instruments.
Le dispositif FDSi a enregistré l’heure d’arrivée de chaque ion, son isotope et le moment de sa désintégration. À l’aide de ces informations, la collaboration a déduit les demi-vies des isotopes ; l’équipe a déjà fait état de cinq demi-vies inconnues auparavant.
La deuxième expérience FRIB a débuté le 15 juin 2022, menée par une collaboration de chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory, de l’ORNL, de l’UTK et de la MSU. L’installation a accéléré un faisceau de sélénium-82 et l’a utilisé pour produire des isotopes rares des éléments scandium, calcium et potassium. Ces isotopes sont couramment présents dans les étoiles à neutrons, et l’objectif de l’expérience était de mieux comprendre le type de radioactivité que ces isotopes émettent lorsqu’ils se désintègrent. La compréhension de ce processus pourrait permettre de mieux comprendre comment les étoiles à neutrons perdent leur énergie.
Les deux premières expériences FRIB n’étaient que la pointe de l’iceberg des capacités de cette nouvelle installation. Au cours des prochaines années, la FRIB va explorer quatre grandes questions de physique nucléaire : Premièrement, quelles sont les propriétés des noyaux atomiques présentant une grande différence entre le nombre de protons et de neutrons ? Deuxièmement, comment les éléments se forment-ils dans le cosmos ? Troisièmement, les physiciens comprennent-ils les symétries fondamentales de l’univers, par exemple pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers ? Enfin, comment les informations provenant des isotopes rares peuvent-elles être appliquées à la médecine, à l’industrie et à la sécurité nationale ?
Sean Liddick, professeur associé de chimie, Michigan State University et Artemis Spyrou, professeur de physique nucléaire, Michigan State University
.
