L’isotope étain-100 présente un intérêt pour la structure nucléaire en raison de ses configurations de proton et de neutron à enveloppe fermée. Il s’agit également du noyau le plus lourd comprenant des protons et des neutrons en nombre égal. Dans une nouvelle recherche, des physiciens de l’expérience ISOLTRAP à l’installation ISOLDE (Isotope mass Separator On-Line) du CERN ont effectué des mesures directes de la masse de l’indium-99 et de l’indium-100, des noyaux voisins de l’étain-100. Les résultats sont publiés dans le journal Nature Physics.
Mesures de masse de haute précision d’isotopes d’indium déficients en neutrons avec ISOLTRAP : des atomes radioactifs ont été produits par des réactions nucléaires de protons de 1. Des atomes radioactifs ont été produits par des réactions nucléaires de protons de 1,4 GeV frappant une cible épaisse en carbure de lanthane ; des atomes d’indium à vie courte diffusant à partir de la cible ont été ionisés sélectivement à l’aide d’un schéma d’excitation laser en deux étapes, fourni par le RILIS d’ISOLDE, qui excitait un électron au-dessus du potentiel d’ionisation (IP) de l’indium ; le faisceau d’ions extrait a été séparé en masse et injecté dans un piège à ions quadripolaire à radiofréquence (RFQ) situé sur une plate-forme à haute tension (HV), où il a été regroupé et refroidi ; le faisceau a ensuite été traité par un MS MR-ToF pour séparer les ions d’indium des contaminants isobares ; lorsque le piège de Penning de précision était utilisé pour la mesure de masse, un refroidissement et une purification supplémentaires du faisceau étaient réalisés à l’aide d’un piège de Penning de préparation rempli de gaz tampon à l’hélium ; un détecteur à plaque à microcanaux (MCP) sensible à la position était utilisé pour enregistrer le temps de vol et/ou la position de l’ion après son éjection du piège de Penning de précision ; dans le cas de l’indium 99, pour lequel le rendement de production était trop faible, le MR-ToF MS était utilisé pour effectuer la mesure de masse. Crédit image : Mougeot et al., doi : 10.1038/s41567-021-01326-9.
Les noyaux atomiques n’ont que deux ingrédients, les protons et les neutrons, mais le nombre relatif de ces ingrédients fait une différence radicale dans leurs propriétés.
Certaines configurations de protons et de neutrons, avec des “nombres magiques” de protons ou de neutrons disposés dans des coquilles remplies à l’intérieur du noyau, sont plus fortement liées que d’autres.
Les rares noyaux dont les enveloppes de protons et de neutrons sont complètes, que l’on appelle doublement magiques, présentent une énergie de liaison particulièrement élevée et constituent d’excellents cas d’essai pour l’étude des propriétés nucléaires.
Les nouveaux calculs théoriques et les résultats expérimentaux de l’équipe ISOLTRAP jettent la lumière sur l’un des noyaux doublement magiques les plus emblématiques : l’étain-100.
Avec 50 protons et 50 neutrons, l’étain-100 est particulièrement intéressant pour l’étude des propriétés nucléaires car, en plus d’être doublement magique, il est le noyau le plus lourd comprenant des protons et des neutrons en nombre égal – une caractéristique qui lui confère l’une des plus fortes désintégrations bêta, dans laquelle un positron est émis pour produire un noyau fils.
Les études de la désintégration bêta de l’étain-100 souffrent des difficultés à la produire.
De plus, les deux études les plus récentes – une étude de 2019 par RIKEN et une étude de 2012 par GSI – donnent des valeurs différentes pour l’énergie libérée dans la désintégration, ce qui entraîne des valeurs discordantes pour la masse de l’étain-100.
Dans la nouvelle étude, le Dr Maxime Mougeot, du Max-Planck-Institut für Kernphysik, et ses collègues ont mesuré la masse du noyau exotique de protons impairs indium-100, la fille de désintégration bêta de l’étain-100, et de l’indium-99, avec un proton de moins que l’étain-100.
“La masse de l’étain-100 peut être dérivée de celle de l’indium-100 et de l’énergie libérée dans la désintégration bêta de l’indium-99.de l’étain-100 à l’indium-100”, a déclaré le Dr Mougeot.
“Notre mesure de la masse de l’indium-100 a donc saisi par la queue ce noyau emblématique doublement magique”.
La nouvelle mesure de la masse de l’indium-100 est 90 fois plus précise que la précédente, amplifiant l’écart entre les valeurs de la masse de l’étain-100 déduites des études les plus récentes sur la désintégration bêta.
Les chercheurs ont ensuite effectué des comparaisons entre les masses mesurées des noyaux d’indium et les nouveaux calculs théoriques ab initio sophistiqués qui tentent de décrire les noyaux à partir des premiers principes.
Ces comparaisons favorisent le résultat de l’énergie de désintégration bêta du GSI par rapport à celui de l’équipe RIKEN.
De plus, elles montrent un excellent accord entre les mesures et les calculs, ce qui donne aux chercheurs une grande confiance dans le fait que les calculs rendent compte de la physique nucléaire complexe de l’étain-100 et de ses voisins indium.