Des physiciens nucléaires du RIKEN ont réussi à créer un isotope du sodium extrêmement riche en neutrons, le 39Na, dont de nombreux modèles de noyaux atomiques avaient prédit l’inexistence. Cette découverte a des implications importantes pour notre compréhension de la structure des noyaux atomiques et des processus astrophysiques qui forment des éléments plus lourds sur Terre.
Les physiciens nucléaires ont fabriqué la forme de sodium la plus riche en neutrons à ce jour, ce qui permettra d’en savoir plus sur le monde complexe des noyaux.
Des physiciens du RIKEN ont créé un isotope de sodium exceptionnellement riche en neutrons, le 39Na, ce qui était considéré comme impossible auparavant. Cette percée a des implications majeures pour la compréhension de la structure des noyaux atomiques et la création des éléments les plus lourds de la Terre.
Une forme extrêmement riche en neutrons de l’élément sodium – qui, selon de nombreux modèles de noyaux atomiques, ne devrait pas exister – a été créée pour la première fois par des physiciens nucléaires de RIKEN.[1].
Si l’on fabriquait du sel de table à partir de cette version super-lourde du sodium et de l’isotope le plus riche en neutrons du chlore, l’autre constituant du sel, il aurait le même goût et se comporterait comme du sel normal, à ceci près qu’il serait environ 1,6 fois plus lourd, explique le physicien nucléaire Toshiyuki Kubo.
Bien plus qu’une curiosité scientifique, cette découverte a d’importantes implications pour les théories sur la structure des noyaux atomiques. Ces connaissances nous éclairent à leur tour sur les processus astrophysiques à l’origine des éléments les plus lourds de la Terre.
En termes de théorie nucléaire, cette découverte fournit un point de référence essentiel pour ajuster les modèles de noyaux riches en neutrons et pour évaluer leur précision, explique Kubo. Les études théoriques des noyaux riches en neutrons impliquent des calculs extrêmement complexes, et les physiciens théoriques n’ont pu jusqu’à présent que modéliser avec précision les noyaux plus stables comportant peu de neutrons. Cette découverte pourrait permettre d’affiner les calculs pour les noyaux contenant davantage de neutrons.
Cette découverte a des répercussions sur notre compréhension de l’origine des éléments plus lourds. Par exemple, on pense que les processus nucléaires astrophysiques qui créent les métaux lourds de la Terre sont le résultat des énormes quantités d’énergie produites par la fusion de deux étoiles à neutrons ou par les collisions d’étoiles à neutrons et de trous noirs. Le gaz et la poussière libérés contribuent finalement à la formation des matériaux rares des planètes, comme la Terre. Cependant, les processus exacts qui produisent les métaux lourds ont longtemps été débattus.
Un nouveau carré sur la ligne d’égouttage : Chaque carré indique un isotope, le nombre de protons augmentant au fur et à mesure que les carrés se déplacent verticalement vers le haut et le nombre de neutrons augmentant horizontalement vers la droite. La limite d’existence connue, la « drip line » des neutrons, est indiquée par une ligne bleue épaisse. Le sodium-39 (39Na) en rouge a 11 protons et 28 neutrons, ce qui lui donne un nombre de masse de 39. Sa découverte récente par les chercheurs du RIKEN a permis de l’ajouter à la ligne d’égouttage. Crédit : © 2023 RIKEN
Sommaire
Emballer des neutrons dans du sodium
Chacun des 118 éléments connus possède un nombre fixe de protons (11 dans le cas du sodium), mais le nombre de neutrons dans son noyau peut varier, note Kubo. La seule forme stable du sodium contient 12 neutrons, alors que celle qui vient d’être découverte en contient plus du double (28), soit deux neutrons de plus que l’isotope de sodium le plus riche en neutrons, le 37Na, qui avait été découvert il y a plus de 20 ans.
Les neutrons étant électriquement neutres, ils n’influencent pas les électrons d’un atome et n’ont donc aucun effet sur la chimie de l’élément. Ainsi, les atomes d’un même élément qui contiennent un nombre différent de neutrons, appelés isotopes, sont chimiquement indiscernables.
L’idée de rechercher la nouvelle forme de sodium (appelée 39Na parce que son noyau contient 39 neutrons et protons) est venue d’une expérience précédente, lorsqu’une équipe dirigée par Kubo au RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science est tombée sur ce qui semblait être un noyau de 39Na. « Nous avons été très surpris par cet événement », se souvient Kubo. « Nous avons donc décidé de reprendre la recherche de 39Na dans le cadre de notre expérience actuelle.
Lors de cette dernière expérience, ils ont mis l’existence du 39Na hors de tout doute en créant neuf noyaux de l’isotope en deux jours à l’usine de faisceaux d’isotopes radioactifs de RIKEN, l’une des trois seules installations nucléaires au monde actuellement capables de produire de tels noyaux.
Chasseur d’isotopes
Ce n’est pas la première fois, loin s’en faut, que Kubo participe à la création d’un nouvel isotope au cours de ses quatre décennies de carrière. « En fait, j’ai participé à la découverte d’environ 200 nouveaux isotopes », explique-t-il. « J’aime vraiment créer et observer ce que personne n’a jamais vu auparavant.
Mais la découverte du 39Na revêt une importance particulière pour lui, notamment parce que de nombreux modèles nucléaires prédisent qu’il ne devrait pas exister. « Cette découverte a un impact significatif sur les modèles de masse nucléaire et les théories nucléaires qui traitent de la limite de la stabilité nucléaire, car elle fournit un point de référence essentiel pour leur validation », explique M. Kubo. Par exemple, M. Kubo note qu’un modèle développé par une équipe japonaise en 2020 a correctement prédit l’existence de 39Na et que ses prédictions pour d’autres isotopes ont été conformes à la réalité[2]ce qui renforce sa crédibilité.
Suivre la ligne de goutte à goutte
L’une des raisons pour lesquelles cette découverte est importante est que 39Na pourrait bien être la version du sodium la plus riche en neutrons qu’il soit possible de produire. Les physiciens nucléaires sont particulièrement intéressés par la détermination du nombre maximum de neutrons qu’un élément peut avoir avant de commencer à fuir les neutrons – une quantité connue sous le nom de ligne d’égouttement des neutrons lorsqu’elle est tracée sur un tableau de noyaux. La localisation de cette limite constitue un point de repère essentiel non seulement pour les théories nucléaires, mais aussi pour les modèles de masse nucléaire qui jouent un rôle clé dans les théories de la nucléosynthèse.
Mais il est extrêmement difficile de déterminer la limite d’écoulement d’un élément – les physiciens nucléaires n’ont jusqu’à présent réussi à la déterminer que jusqu’au dixième élément du tableau périodique, le néon, ce qui signifie qu’il leur reste encore 108 éléments à découvrir.
L’une des raisons pour lesquelles il est difficile de mesurer la ligne d’égouttement est que les possibilités de créer des noyaux proches des limites de stabilité sont infimes. Une autre difficulté réside dans le fait qu’il est extrêmement difficile d’exclure l’existence d’autres noyaux ayant encore plus de neutrons. Selon Kubo, il pourrait être possible de fabriquer 41Na, qui deviendrait alors la ligne d’égouttement du sodium, bien qu’il note que le modèle japonais de 2020 prédit que 39Na est la ligne d’égouttement.
Kubo et son équipe ont ensuite l’intention de tenter de déterminer expérimentalement la ligne d’égouttement du magnésium, un élément de plus que le sodium. Ils souhaitent également étudier la structure de 39Na. « Nous aimerions étudier directement la structure nucléaire qui permet à 39Na d’exister », explique Kubo.
Références :
- « Discovery of 39Na » par D. S. Ahn et al, 14 novembre 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.212502 - « The impact of nuclear shape on the emergence of the neutron dripline » par Naofumi Tsunoda, Takaharu Otsuka, Kazuo Takayanagi, Noritaka Shimizu, Toshio Suzuki, Yutaka Utsuno, Sota Yoshida et Hideki Ueno, 4 novembre 2020, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-020-2848-x