Image représentant le nouvel isotope magnésium-18. Crédit : SM Wang/Université de Fudan et installation pour les faisceaux d’isotopes rares
Spartans a rejoint une équipe internationale pour créer un isotope de magnésium qui n’a jamais été vu auparavant.
En collaboration avec une équipe internationale de chercheurs, la Michigan State University a contribué à créer la version la plus légère au monde, ou isotope, du magnésium à ce jour.
Forgé au National Superconducting Cyclotron Laboratory de MSU, ou NSCL, cet isotope est si instable qu’il se désagrège avant que les scientifiques ne puissent le mesurer directement. Pourtant, cet isotope qui n’a pas envie d’exister peut aider les chercheurs à mieux comprendre comment sont fabriqués les atomes qui définissent notre existence.
Dirigée par des chercheurs de l’Université de Pékin en Chine, l’équipe comprenait des scientifiques de l’Université de Washington à St. Louis, de la MSU et d’autres institutions.
“L’une des grandes questions qui m’intéresse est d’où viennent les éléments de l’univers”, a déclaré Kyle Brown, professeur adjoint de chimie à la Facility for Rare Isotope Beams, ou FRIB. Brown était l’un des leaders de la nouvelle étude, publiée en ligne le 22 décembre 2021 par la revue Lettres d’examen physique.
« Comment ces éléments sont-ils fabriqués ? Comment ces processus se produisent-ils ? » demanda Brown.
Image représentant le nouvel isotope magnésium-18. Crédit : SM Wang/Université de Fudan et installation pour les faisceaux d’isotopes rares
Le nouvel isotope ne répondra pas à ces questions par lui-même, mais il peut aider à affiner les théories et les modèles que les scientifiques développent pour expliquer de tels mystères.
La Terre regorge de magnésium naturel, forgé il y a longtemps dans les étoiles, qui est depuis devenu un élément clé de notre alimentation et des minéraux de la croûte terrestre. Mais ce magnésium est stable. Son noyau atomique, ou noyau, ne se désagrège pas.
Le nouvel isotope du magnésium, cependant, est beaucoup trop instable pour être trouvé dans la nature. Mais en utilisant des accélérateurs de particules pour fabriquer des isotopes de plus en plus exotiques comme celui-ci, les scientifiques peuvent repousser les limites des modèles qui aident à expliquer comment tous les noyaux sont construits et restent ensemble.
Ceci, à son tour, aide à prédire ce qui se passe dans des environnements cosmiques extrêmes que nous ne pourrons peut-être jamais imiter ou mesurer directement depuis la Terre.
“En testant ces modèles et en les rendant de mieux en mieux, nous pouvons extrapoler sur la façon dont les choses fonctionnent là où nous ne pouvons pas les mesurer”, a déclaré Brown. « Nous mesurons les choses que nous pouvons mesurer pour prédire les choses que nous ne pouvons pas. »
Le NSCL aide les scientifiques du monde entier à mieux comprendre l’univers par l’humanité depuis 1982. Le FRIB poursuivra cette tradition lorsque les expériences commenceront en 2022. Le FRIB est un bureau des sciences du département de l’énergie des États-Unis, ou DOE-SC, une installation d’utilisateurs, soutenant la mission du Bureau de physique nucléaire du DOE-SC.
“FRIB va mesurer beaucoup de choses que nous n’avons pas été en mesure de mesurer dans le passé”, a déclaré Brown. « Nous avons en fait une expérience approuvée à exécuter au FRIB. Et, nous devrions être capables de créer un autre noyau qui n’a jamais été fait auparavant.
Avant cette future expérience, Brown a été impliqué dans quatre projets différents qui ont fabriqué de nouveaux isotopes. Cela inclut le plus récent, connu sous le nom de magnésium-18.
Tous les atomes de magnésium ont 12 protons dans leur noyau. Auparavant, la version la plus légère du magnésium avait 7 neutrons, ce qui lui donnait un total de 19 protons et neutrons, d’où sa désignation de magnésium-19.
Pour fabriquer du magnésium-18, qui est plus léger d’un neutron, l’équipe a commencé avec une version stable du magnésium, le magnésium-24. Le cyclotron du NSCL a accéléré un faisceau de noyaux de magnésium-24 à environ la moitié de la vitesse de la lumière et a envoyé ce faisceau dans une cible, qui est une feuille de métal fabriquée à partir de l’élément béryllium. Et ce n’était que la première étape.
“Cette collision vous donne un tas d’isotopes différents plus légers que le magnésium-24”, a déclaré Brown. “Mais à partir de cette soupe, nous pouvons sélectionner l’isotope que nous voulons.”
Dans ce cas, cet isotope est le magnésium-20. Cette version est instable, ce qui signifie qu’elle se désintègre, généralement en quelques dixièmes de seconde. L’équipe est donc sur une horloge pour que ce magnésium-20 entre en collision avec une autre cible de béryllium à environ 30 mètres, ou 100 pieds, de distance.
“Mais il voyage à la moitié de la vitesse de la lumière”, a déclaré Brown. “Ça arrive assez vite.”
C’est cette prochaine collision qui crée le magnésium-18, qui a une durée de vie de l’ordre du sextillionième de seconde. C’est si court que le magnésium-18 ne se couvre pas d’électrons pour devenir un véritable atome avant de s’effondrer. Il n’existe que sous forme de noyau nu.
En fait, c’est si court que le magnésium-18 ne quitte jamais la cible du béryllium. Le nouvel isotope se désintègre à l’intérieur de la cible.
Cela signifie que les scientifiques ne peuvent pas examiner l’isotope directement, mais ils peuvent caractériser les signes révélateurs de sa désintégration. Le magnésium-18 éjecte d’abord deux protons de son noyau pour devenir du néon-16, qui éjecte ensuite deux autres protons pour devenir de l’oxygène-14. En analysant les protons et l’oxygène qui s’échappent de la cible, l’équipe peut déduire les propriétés du magnésium-18.
« C’était un travail d’équipe. Tout le monde a travaillé très dur sur ce projet », a déclaré Brown. « C’est assez excitant. Ce n’est pas tous les jours que les gens découvrent un nouvel isotope.
Cela dit, les scientifiques ajoutent chaque année de nouvelles entrées à la liste des isotopes connus, qui se comptent par milliers.
“Nous ajoutons des gouttes dans un seau, mais ce sont des gouttes importantes”, a déclaré Brown. «Nous pouvons mettre nos noms sur celui-ci, toute l’équipe peut le faire. Et je peux dire à mes parents que j’ai aidé à découvrir ce noyau que personne d’autre n’a vu auparavant.
Référence : « Première observation du noyau non lié à quatre protons 18Mg » par Y. Jin et al., 22 décembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.262502
Cette recherche a été financée par : le DOE-SC Office of Nuclear Physics sous la subvention no. DE-FG02-87ER-40316; la US National Science Foundation sous la subvention no. PHY-1565546 ; le State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, Université de Pékin sous la subvention no. NPT2020KFY1 ; le Programme national de recherche et de développement clés de la Chine sous la subvention no. 2018YFA0404403 ; et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine sous la subvention nos. 12035001, 11775003, 11975282 et 11775316. Un soutien supplémentaire a été fourni par le China Scholarship Council dans le cadre de la subvention no. 201806010506.
La NSCL est une installation nationale d’utilisateurs financée par la National Science Foundation, qui soutient la mission du programme de physique nucléaire de la division de physique de la NSF.
L’Université d’État du Michigan (MSU) exploite l’Installation pour les faisceaux d’isotopes rares (FRIB) en tant qu’installation utilisateur pour le Département américain de l’énergie Office of Science (DOE-SC), soutenant la mission du DOE-SC Office of Nuclear Physics.
L’Office of Science du Département de l’énergie des États-Unis est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents d’aujourd’hui.
