Un nouvel appareil du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) a effectué des mesures extrêmement précises de noyaux de ruthénium instables. Ces mesures constituent une étape importante en physique nucléaire car elles correspondent étroitement aux prédictions faites par des modèles nucléaires sophistiqués.
"Il est très difficile pour les modèles théoriques de prédire les propriétés de noyaux complexes et instables", a déclaré Bernhard Maass, physicien assistant à Argonne et auteur principal de l'étude. "Nous avons démontré qu'une classe de modèles avancés peut le faire avec précision. Nos résultats aident à valider les modèles."
La validation des modèles peut renforcer la confiance dans leurs prédictions sur les processus astrophysiques. Ceux-ci incluent la formation, l’évolution et les explosions d’étoiles où les éléments sont créés.
L'étude a été publiée dansLettres d'examen physique.
Un besoin de valider les modèles théoriques
Les physiciens nucléaires développent des modèles théoriques plus avancés pour prédire avec précision les propriétés des noyaux atomiques instables dotés de structures, de formes et de forces complexes. De tels modèles pourraient potentiellement approfondir notre compréhension du fonctionnement interne des noyaux atomiques.
Il est cependant essentiel de démontrer l’exactitude de ces modèles avant de pouvoir les utiliser pour repousser les frontières de la science. Cela nécessite la tâche difficile de collecter des mesures précises et réelles de noyaux complexes et de comparer les mesures avec les prédictions des modèles.
Le ruthénium est un élément idéal pour valider des modèles théoriques avancés. Ce métal rare possède des isotopes-atomes du même élément avec un nombre différent de neutrons et une stabilité variable-connus pour avoir des noyaux aux structures et aux formes complexes. Il existe une série d’isotopes instables et radioactifs du ruthénium qui auraient une forme triaxiale, semblable à celle d’une amande ou d’un grain de café.
Mesurer les propriétés du ruthénium
L’équipe de recherche a utilisé l’appareil ATLANTIS (Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy) pour mesurer neuf isotopes radioactifs du ruthénium. Ce nouvel appareil a été installé au système d'accélérateur Argonne Tandem Linac (ATLAS).
ATLAS est une installation utilisateur du DOE à Argonne dotée d'un accélérateur linéaire supraconducteur conçu pour étudier les propriétés des noyaux.
Les chercheurs ont eu accès aux isotopes radioactifs du ruthénium provenant d’un autre instrument d’ATLAS, le Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU peut livrer du ruthénium radioactif par fission d'une petite quantité de californium-un élément rare et hautement radioactif.
"Les isotopes du ruthénium que nous avons étudiés ne durent qu'une seconde avant de se désintégrer en d'autres éléments", a expliqué Maass. "ATLANTIS utilise une technique appelée spectroscopie laser colinéaire. Elle nous permet de collecter des mesures sur de très petites quantités de ces isotopes en moins d'une seconde."
Grâce à ATLANTIS, les chercheurs ont dirigé un faisceau laser sur le même chemin qu'un faisceau d'atomes de ruthénium. À certaines fréquences laser, les atomes étaient excités et commençaient à émettre une fluorescence, indiquant que des photons lumineux étaient émis. L’équipe a identifié les fréquences laser auxquelles les émissions de photons culminaient. Ce processus a été répété pour les neuf isotopes du ruthénium. Pour chaque isotope, le pic d’émission s’est déplacé vers une fréquence légèrement différente.
"Nous pouvons utiliser ce déplacement isotopique pour dériver les différences dans les tailles nucléaires des isotopes", a déclaré Maass.
L'équipe a comparé ces changements de taille avec les prédictions du -Skyrme-de Bruxelles sur-a-modèles de grille (BSkG), qui comptent parmi les plus avancés au monde en matière de structure nucléaire. Contrairement aux modèles nucléaires traditionnels plus anciens, ils tiennent compte des forces et interactions spécifiques entre tous les neutrons et protons d’un noyau.
Les chercheurs ont trouvé un excellent accord entre leurs résultats et les prédictions des modèles BSkG, soulignant la robustesse des modèles.
Notamment, en essayant de permettre des mesures précises, l’équipe a également fait progresser la technologie de spectroscopie laser colinéaire. Plus précisément, ils ont développé et mis en œuvre de nouvelles techniques efficaces qui neutralisent le faisceau atomique et le « regroupent » en impulsions.
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Implications pour l'astrophysique
L’étude a montré que les modèles BSkG peuvent faire des prédictions sur les noyaux triaxiaux instables avec une précision remarquable. Des modèles aussi puissants pourraient aider les astrophysiciens à faire la lumière sur le fonctionnement de l’univers.
"Les astrophysiciens savent que les noyaux instables et radioactifs jouent un rôle important dans la formation des étoiles et des éléments de l'univers", a déclaré Maass.
"Pour mieux comprendre notre univers, nous devons savoir comment les noyaux sont structurés et comment ils interagissent. Nous devons être capables de prédire les propriétés des noyaux exotiques qui ne peuvent pas être produits dans les accélérateurs de particules modernes."
Trois des auteurs de l'étude ont développé les modèles BSkG : Wouter Ryssens et Guilherme Grams, tous deux de l'Université libre de Bruxelles en Belgique, et Michael Bender de l'Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon en France.
Outre Maass, Ryssens, Grams et Bender, les expériences et la construction d'ATLANTIS sont le fruit d'une collaboration entre des chercheurs d'Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard et Adrian Valverde), de l'Université technique de Darmstadt en Allemagne et de l'Installation pour les faisceaux d'isotopes rares de l'Université d'État du Michigan.
ATLANTIS est disponible pour les institutions collaboratrices afin d'effectuer des mesures de spectroscopie laser colinéaire pour une variété de besoins de recherche. Pour explorer les opportunités de collaboration, contactez Maass.
