Une nouvelle méthode de fabrication de l’élément 116 ouvre la voie à des atomes plus lourds

Les scientifiques du Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie (Berkeley Lab) sont à l’origine de la découverte de 16 des 118 éléments connus. Ils ont désormais franchi la première étape cruciale qui leur permettrait de créer potentiellement un autre élément : l’élément 120.

Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs dirigée par le Heavy Element Group du Berkeley Lab a annoncé avoir découvert l’élément superlourd 116 à l’aide d’un faisceau de titane, une avancée qui constitue une étape clé vers la fabrication de l’élément 120. Le résultat a été présenté aujourd’hui lors de la conférence Nuclear Structure 2024 ; l’article scientifique sera publié sur le référentiel en ligne arXiv et a été soumis à la revue Lettres d’examen physique.

« Cette réaction n’avait jamais été démontrée auparavant, et il était essentiel de prouver qu’elle était possible avant de se lancer dans notre tentative de fabriquer 120 », a déclaré Jacklyn Gates, scientifique nucléaire au Berkeley Lab qui dirige l’effort. « La création d’un nouvel élément est un exploit extrêmement rare. C’est passionnant de faire partie du processus et d’avoir une voie prometteuse à suivre. »

L’équipe a réussi à fabriquer deux atomes de l’élément 116, le livermorium, au cours de 22 jours d’opérations dans l’accélérateur d’ions lourds du laboratoire, le cyclotron de 88 pouces. Fabriquer un atome de l’élément 120 serait encore plus rare, mais à en juger par la vitesse à laquelle ils ont produit le 116, c’est une réaction que les scientifiques peuvent raisonnablement rechercher sur plusieurs années.

« Nous avions besoin que la nature soit clémente, et elle l’a été », a déclaré Reiner Kruecken, directeur de la division des sciences nucléaires du laboratoire de Berkeley. « Nous pensons qu’il faudra environ 10 fois plus de temps pour fabriquer du 120 que du 116. Ce n’est pas facile, mais cela semble faisable maintenant. »

S’il était découvert, l’élément 120 serait l’atome le plus lourd jamais créé et se trouverait sur la huitième ligne du tableau périodique. Il se trouve sur les rives de « l’île de stabilité », un groupe théorique d’éléments superlourds aux propriétés uniques.

Alors que les éléments superlourds découverts jusqu’à présent se désintègrent presque instantanément, une combinaison adéquate de protons et de neutrons pourrait créer un noyau plus stable et capable de survivre plus longtemps, ce qui donnerait aux chercheurs de meilleures chances de l’étudier. L’exploration des éléments aux extrêmes peut fournir des informations sur le comportement des atomes, tester des modèles de physique nucléaire et cartographier les limites des noyaux atomiques.

Fabrication d’éléments superlourds

La recette pour fabriquer des éléments superlourds est simple en théorie. Il suffit de combiner deux éléments plus légers qui, une fois combinés, ont le nombre de protons souhaité dans l’atome final. C’est une formule mathématique de base : 1+2=3.

En pratique, c’est évidemment extrêmement difficile. Il faut parfois des milliards d’interactions avant que deux atomes ne fusionnent, et il existe des limites quant aux éléments qui peuvent raisonnablement être transformés en faisceau de particules ou en cible.

Les chercheurs choisissent des isotopes spécifiques, des variantes d’éléments qui ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons, pour leur faisceau et leur cible. La cible pratique la plus lourde est un isotope appelé californium-249, qui possède 98 protons. (Une cible plus lourde, comme celle en fermium avec 100 protons, se désintégrerait trop rapidement). Cela signifie que pour tenter de fabriquer l’élément 120, les chercheurs ne peuvent pas utiliser leur faisceau habituel de calcium-48 avec ses 20 protons. À la place, ils ont besoin d’un faisceau d’atomes avec 22 protons : le titane, un élément qui n’est pas couramment utilisé pour fabriquer des éléments superlourds.

Les experts du cyclotron de 88 pouces ont cherché à vérifier qu’ils pouvaient produire un faisceau suffisamment intense de l’isotope titane-50 sur une période de plusieurs semaines et l’utiliser pour fabriquer l’élément 116, l’élément le plus lourd jamais fabriqué au laboratoire de Berkeley.

Jusqu’à présent, les éléments 114 à 118 n’avaient été obtenus qu’avec un faisceau de calcium 48, qui possède une configuration spéciale ou « magique » de neutrons et de protons qui lui permet de fusionner avec les noyaux cibles pour produire des éléments superlourds. La question de savoir s’il serait même possible de créer des éléments superlourds près de l’îlot de stabilité en utilisant un faisceau « non magique » tel que le titane 50 restait ouverte dans le domaine.

« C’était une première étape importante pour essayer de créer quelque chose d’un peu plus simple qu’un nouvel élément pour voir comment le passage d’un faisceau de calcium à un faisceau de titane modifie la vitesse à laquelle nous produisons ces éléments », a déclaré Jennifer Pore, scientifique au sein du groupe des éléments lourds du Berkeley Lab.

« Lorsque nous essayons de produire ces éléments incroyablement rares, nous nous trouvons à la limite absolue des connaissances et de la compréhension humaines, et rien ne garantit que la physique fonctionnera comme nous l’espérons. La création de l’élément 116 avec du titane confirme que cette méthode de production fonctionne et nous pouvons désormais planifier notre chasse à l’élément 120. »

Le projet de fabrication d’éléments superlourds à l’aide des installations uniques du Berkeley Lab est inclus dans le plan à long terme 2023 du Comité consultatif sur les sciences nucléaires pour les sciences nucléaires.

Prouesses d’ingénierie

Créer un faisceau suffisamment intense d’isotopes de titane n’est pas une tâche facile. Le processus commence avec un morceau spécial de titane 50, un isotope rare du titane qui représente environ 5 % de tout le titane présent dans le sol. Ce morceau de métal est placé dans un four de la taille du dernier segment de votre petit doigt. Le four chauffe le métal jusqu’à ce qu’il commence à se vaporiser, comme le gaz provenant de la glace sèche, à près de 1 500 °C.

Tout cela se déroule dans une source d’ions appelée VENUS, un aimant supraconducteur complexe qui agit comme une bouteille confinant un plasma. Les électrons libres tournent en spirale à travers le plasma, gagnant de l’énergie lorsqu’ils sont bombardés par des micro-ondes et éliminant 12 des 22 électrons du titane. Une fois chargé, le titane peut être manœuvré par des aimants et accéléré dans le cyclotron de 88 pouces.

« Nous savions que ces faisceaux de titane à courant élevé seraient délicats car le titane réagit avec de nombreux gaz, ce qui affecte la source d’ions et la stabilité du faisceau », a déclaré Damon Todd, physicien spécialiste des accélérateurs au Berkeley Lab et membre de l’équipe de la source d’ions. « Notre nouveau four à induction peut maintenir une température fixe pendant plusieurs jours, en gardant la production de titane constante et en l’orientant directement vers le plasma de VENUS pour éviter les problèmes de stabilité. Nous sommes extrêmement satisfaits de notre production de faisceaux. »

Chaque seconde, environ 6 000 milliards d’ions titane frappent la cible (le plutonium pour produire du 116, le californium pour produire du 120), qui est plus fine qu’une feuille de papier et qui tourne pour disperser la chaleur. Les opérateurs de l’accélérateur règlent le faisceau pour obtenir la quantité d’énergie adéquate. Trop peu, et les isotopes ne fusionneront pas en un élément lourd. Trop, et le titane fera exploser les noyaux de la cible.

Lorsque l’élément superlourd rare se forme, il est séparé du reste des débris de particules par des aimants dans le séparateur à gaz Berkeley (BGS). Le BGS le transmet à un détecteur au silicium sensible appelé SHREC : le détecteur Super Heavy RECoil. Le SHREC peut capturer l’énergie, la localisation et le temps, des informations qui permettent aux chercheurs d’identifier l’élément lourd lorsqu’il se désintègre en particules plus légères.

« Nous sommes convaincus que nous voyons l’élément 116 et ses particules filles », a déclaré M. Gates. « Il y a environ une chance sur mille milliards qu’il s’agisse d’un hasard statistique. »

Plans pour 120

Il reste encore du travail à faire avant que les chercheurs ne tentent de fabriquer l’élément 120. Les experts du cyclotron de 88 pouces continuent de travailler pour préparer la machine à une cible en californium-249, et les partenaires du laboratoire national d’Oak Ridge devront fabriquer environ 45 milligrammes de californium dans la cible.

« Nous avons montré que nous disposons d’une installation capable de mener à bien ce projet et que les conditions physiques semblent le rendre réalisable », a déclaré Kruecken. « Une fois que nous aurons mis en place notre cible, notre blindage et nos contrôles techniques, nous serons prêts à nous attaquer à cette expérience difficile. »

Le moment reste à déterminer, mais les chercheurs pourraient potentiellement commencer la tentative en 2025. Une fois commencé, il pourrait falloir plusieurs années pour voir quelques atomes de l’élément 120, si jamais il apparaît.

« Nous voulons comprendre les limites de l’atome et celles du tableau périodique », a déclaré Gates. « Les éléments superlourds que nous connaissons jusqu’à présent ne vivent pas assez longtemps pour être utiles à des fins pratiques, mais nous ne savons pas ce que l’avenir nous réserve. Peut-être s’agit-il d’une meilleure compréhension du fonctionnement du noyau, ou peut-être de quelque chose de plus. »

La collaboration pour ce travail inclut des chercheurs du Berkeley Lab, de l’Université de Lund, du Laboratoire national d’Argonne, du Laboratoire national Lawrence Livermore, de l’Université d’État de San José, de l’Université de Strasbourg, de l’Université de Liverpool, de l’Université d’État de l’Oregon, de l’Université Texas A&M, de l’UC Berkeley, du Laboratoire national d’Oak Ridge, de l’Université de Manchester, de l’ETH Zürich et de l’Institut Paul Scherrer.