Dès les années 1960, des théories ont été avancées sur l’existence possible d’éléments superlourds. Leurs noyaux à longue durée de vie pourraient donner naissance à une “île de stabilité” bien au-delà de l’élément uranium. Cependant, une nouvelle étude, menée par des physiciens nucléaires de l’université de Lund, montre qu’un manifeste de physique nucléaire vieux de 50 ans doit maintenant être révisé.
L’élément le plus lourd trouvé dans la nature est l’uranium, dont le noyau contient 92 protons et 146 neutrons. Les noyaux des éléments les plus lourds deviennent de plus en plus instables en raison de l’augmentation du nombre de protons chargés positivement. Ils se désintègrent donc de plus en plus vite, généralement en une fraction de seconde.
Une combinaison “magique” de protons et de neutrons peut cependant conduire à des éléments dont la durée de vie augmente rapidement. Un tel nombre “magique” de protons a été prédit depuis longtemps pour l’élément flerovium, dont le numéro atomique est 114 dans le tableau périodique. À la fin des années 1960, le physicien de Lund Sven-Gösta Nilsson, entre autres, a présenté une théorie selon laquelle un tel îlot de stabilité devrait exister autour de l’élément 114, alors encore non découvert.
“C’est un peu le Saint Graal de la physique nucléaire. Beaucoup rêvent de découvrir quelque chose d’aussi exotique qu’un élément super lourd à longue durée de vie, voire stable”, déclare Anton Såmark-Roth, doctorant en physique nucléaire à l’université de Lund.
Inspirés par les théories de Nilsson, les chercheurs ont étudié en détail l’élément flerovium et ont fait des découvertes révolutionnaires. L’expérience a été menée par une équipe de recherche internationale dirigée par Dirk Rudolph, professeur à l’université de Lund.
Dans le cadre du programme de recherche FAIR Phase-0 à l’installation d’accélérateur de particules GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung à Darmstadt, en Allemagne, jusqu’à 6×1018 (6 000 000 000 000 000) noyaux atomiques de calcium-48 ont été accélérés à 10 % de la vitesse de la lumière. Ils ont bombardé un mince film de plutonium-244 rare et, par fusion nucléaire atomique, du flerovium a pu être créé, un atom at a time. In the 18-day-long experiment, the research team then registered radioactive decay of some tens of flerovium nuclei in a detection device specially developed in Lund.
Through the exact analysis of decay fragments and the periods within which they were released, the team could identify new decay branches of flerovium. It was shown that these could not be reconciled with the element’s previously predicted “magical” properties.
“We were very pleased that all the technology surrounding our experimental set-up worked as it should when the experiment started. Above all, being able to follow the decay of several flerovium nuclei from the control room in real time was very exciting,” says Daniel Cox, postdoc in nuclear physics at Lund University.
The new results, published in the research journal Physical Review Letters, will be of considerable use to science. Instead of looking for the island of stability around the element 114, the research world can focus on other as yet undiscovered elements.
“It was a demanding but, of course, very successful experiment. Now we know, we can move on from element 114 and instead look around element 120, which has not been discovered yet. Now the voyage to the island of stability will take a new course,” concludes Anton Såmark-Roth.
Reference: “Spectroscopy along Flerovium Decay Chains: Discovery of 280Ds and an Excited State in 282Cn” by A. Såmark-Roth et al., 22 January 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.032503
