Les expériences menées au GSI/FAIR révèlent le rivage de l'île de stabilité des éléments super-lourds
Une équipe de chercheurs du GSI/FAIR, de l'université Johannes Gutenberg de Mayence et de l'institut Helmholtz de Mayence a réussi à explorer plus précisément les limites de ce que l'on appelle l'îlot de stabilité au sein des nucléides superlourds en mesurant le noyau superlourd de rutherfordium-252, qui est actuellement le noyau superlourd connu ayant la durée de vie la plus courte. Les résultats ont été publiés dans la revue "Physical Review Letters" et mis en évidence par une "suggestion de l'éditeur".
Le Rf-252, d'une demi-vie de 60 nanosecondes, a été produit et guidé vers le système de détection grâce à un état isomérique - flottant dans le "nuage de stabilité" - d'une demi-vie de 13 microsecondes, plus de 200 fois supérieure à celle de l'état fondamental.
AI-generated image; Pavol Mosat and Khuyagbaatar Jadambaa
La force forte assure la cohésion des noyaux atomiques composés de protons et de neutrons. Toutefois, comme les protons chargés positivement se repoussent mutuellement, les noyaux contenant trop de protons risquent de se diviser, ce qui constitue un défi pour la production de nouveaux éléments superlourds. Certaines combinaisons de protons et de neutrons, appelées "nombres magiques", confèrent aux noyaux une stabilité supplémentaire. En tenant compte de ces combinaisons magiques, des travaux théoriques datant des années 1960 prédisent l'existence d'un îlot de stabilité dans la mer des noyaux superlourds instables, où des durées de vie très longues pourraient être atteintes, approchant même l'âge de la Terre.
Le concept de cet îlot a été confirmé depuis, avec l'observation de demi-vies croissantes dans les noyaux les plus lourds actuellement connus, à mesure que l'on s'approche du prochain nombre magique prédit de 184 neutrons. Cependant, l'emplacement du sommet de cette île, sa hauteur (qui reflète la demi-vie maximale attendue), ainsi que l'extension de l'île sont encore inconnus. Des chercheurs du GSI/FAIR de Darmstadt, de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de l'institut Helmholtz de Mayence (HIM) se sont rapprochés de la cartographie de cette île en découvrant le noyau superlourd à la durée de vie la plus courte connu à ce jour, qui marque la position du rivage de l'île dans les noyaux de rutherfordium (Rf, élément 104).
Pour permettre une détection expérimentale, la durée de vie minimale des noyaux superlourds est de l'ordre du millionième de seconde, ce qui rend inaccessibles les noyaux superlourds à durée de vie extrêmement courte au voisinage de la mer d'instabilité. Mais il y a une astuce : parfois, des états excités, stabilisés par des effets quantiques, présentent des durées de vie plus longues et ouvrent une porte aux noyaux à vie courte. "D'après mes calculs, ces états excités à longue durée de vie, appelés isomères, sont très répandus dans les noyaux superlourds de forme déformée", explique le Dr Khuyagbaatar Jadambaa, premier auteur de la publication du département de recherche sur la chimie des éléments superlourds de GSI/FAIR. Ils enrichissent ainsi l'image de l'île de stabilité avec des "nuages de stabilité" planant au-dessus de la mer d'instabilité.
L'équipe de chercheurs de Darmstadt et de Mayence a réussi à vérifier ces prédictions en recherchant le noyau Rf-252, jusqu'alors inconnu. Les chercheurs ont utilisé un faisceau intense de titane-50 disponible à l'accélérateur UNILAC du GSI/FAIR pour fusionner des noyaux de titane avec des noyaux de plomb fournis sur une feuille cible. Les produits de fusion ont été séparés dans l'appareil TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus). Ils se sont implantés dans un détecteur au silicium après un temps de vol d'environ 0,6 microseconde. Ce détecteur a enregistré leur implantation ainsi que leur désintégration ultérieure.
Au total, 27 atomes de Rf-252 se désintégrant par fission avec une demi-vie de 13 microsecondes ont été détectés. Grâce au système d'acquisition de données numériques rapide développé par le département Experiment Electronics du GSI/FAIR, les électrons émis après l'implantation de l'isomère Rf-252m et libérés lors de sa désintégration jusqu'à l'état fondamental ont été détectés. Trois cas de ce type ont été enregistrés. Dans tous les cas, une fission a suivi dans les 250 nanosecondes. Ces données ont permis de déduire une demi-vie de 60 ns pour l'état fondamental du Rf-252, qui est désormais le noyau super-lourd à la durée de vie la plus courte actuellement connue.
"Ce résultat réduit la limite inférieure des durées de vie connues des noyaux les plus lourds de près de deux ordres de grandeur, à des durées trop courtes pour être mesurées directement en l'absence d'états isomères appropriés. Les résultats actuels constituent une nouvelle référence pour l'exploration ultérieure des phénomènes associés à ces états isomères, à la stabilité de fission inversée où les états excités sont plus stables que l'état fondamental, et à la frontière isotopique des noyaux les plus lourds", déclare le professeur Christoph E. Düllmann, directeur du département de recherche sur la chimie des éléments super-lourds au GSI/FAIR.
Lors de futures campagnes expérimentales, il est envisagé de mesurer les états isomériques présentant une stabilité de fission inversée dans l'élément plus lourd suivant, le seaborgium (Sg, élément 106), et de les utiliser pour synthétiser des istopes de Sg ayant des durées de vie inférieures à la microseconde afin de mieux cartographier la frontière isotopique. Ce résultat ouvre également de nouvelles perspectives pour l'installation internationale FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), actuellement en construction à Darmstadt.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
J. Khuyagbaatar, P. Mosat, J. Ballof, R. A. Cantemir, Ch. E. Düllmann, K. Hermainski, F. P. Heßberger, E. Jäger, B. Kindler, J. Krier, N. Kurz, S. Löchner, B. Lommel, B. Schausten, Y. Wei, P. Wieczorek, A. Yakushev; "Stepping into the Sea of Instability: The New Sub-μs Superheavy Nucleus 252Rf"; Physical Review Letters, Volume 134, 2025-1-14
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