Le 30 juin 2025
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par Tejasri Gururaj, Phys.org
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édité par Sadie Harley, révisé par Robert Egan
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Dans une étude publiée dans Physical Review Letters, des scientifiques de GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ont découvert un nouvel isotope super lourd, 257Sg (séaborgium), dont les propriétés apportent de nouvelles informations sur la stabilité nucléaire et la fission dans les éléments les plus lourds.
Les éléments super lourds existent dans un équilibre délicat entre la force nucléaire attractive qui maintient les protons et les neutrons ensemble et la force électromagnétique répulsive qui repousse les protons chargés positivement.
Sans les effets dus aux couches quantiques, analogues aux couches électroniques dans les atomes, ces noyaux massifs se briseraient en moins d'une milliardième de seconde.
Phys.org a parlé aux co-auteurs Dr. Pavol Mosat et Dr. J. Khuyagbaatar de GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, en Allemagne, à propos de leur travail.
L'étude révèle notre incompréhension de la manière dont les noyaux atomiques les plus extrêmes se comportent, les résultats suggérant que les effets quantiques qui empêchent les noyaux super lourds de se désintégrer instantanément pourraient fonctionner différemment de ce qui était précédemment supposé.
L'équipe internationale de recherche a utilisé le séparateur de recul rempli de gaz TASCA de GSI pour créer du 257Sg par des réactions de fusion entre des noyaux de chrome-52 et de plomb-206.
Ils ont découvert que le nouvel isotope vit pendant 12,6 millisecondes, plus longtemps que son voisin pair-pair 258Sg, et se désintègre à la fois par fission spontanée et émission d'alpha.
La voie de désintégration alpha s'est révélée particulièrement instructive. Lorsque le 257Sg émet une particule alpha, il se transforme en 253Rf (rutherfordium), qui subit ensuite la fission après seulement 11 microsecondes.
Cette observation soutient les découvertes récentes remettant en question la compréhension traditionnelle de l'impact du moment angulaire sur la fission. Alors que des nombres quantiques K plus élevés devaient offrir un plus grand obstacle à la fission, des données émergentes suggèrent que cette relation pourrait être plus complexe qu'on ne le croyait auparavant.
« Nous avons étudié les isotopes 257Sg et 253Rf et avons découvert que, en général, les nombres quantiques K entravent effectivement la fission », a déclaré Mosat. "Cependant, la valeur absolue des obstacles reste inconnue".
Peut-être encore plus significative a été la découverte par l'équipe du premier état K-isomérique dans un isotope du séaborgium. Les isomères K sont des configurations nucléaires spéciales avec un moment angulaire élevé qui résistent beaucoup plus efficacement à la fission que les états nucléaires ordinaires.
Dans le 259Sg, les chercheurs ont détecté un signal d'émission électronique apparaissant 40 microsecondes après la formation nucléaire, preuve solide d'un état K-isomérique qui pourrait être stable contre la fission des centaines de fois plus longtemps que l'état fondamental.
"Les états isomères K ont déjà été observés dans des noyaux super lourds tels que 252–257Rf et 270Ds," a noté Khuyagbaatar. "Nous avons observé un K-isomère exclusivement dans les noyaux avec 106 protons, c'est-à-dire dans les isotopes de Sg pour la première fois".
Cette découverte comble une lacune cruciale dans la compréhension des éléments super lourds par les scientifiques et pourrait avoir des implications profondes pour les futurs efforts de découverte d'éléments.
La découverte survient à un moment critique dans la recherche sur les éléments super lourds.
Les scientifiques ont longtemps recherché "l'île de stabilité" théorique, une région où certains noyaux super lourds pourraient exister pendant des périodes prolongées en raison d'effets de couches favorables. Cependant, les nouvelles découvertes suggèrent que ce paysage pourrait être plus complexe que prévu.
"Il se peut que le noyau super lourd, par exemple, un isotope d'un élément non encore découvert, puisse vivre moins de 1 μs [microseconde]", a expliqué Khuyagbaatar.
"Si tel est le cas, alors la découverte de l'élément 120 pourrait probablement rencontrer des défis de séparation et de détection. Cependant, si un état K-isomérique existe dans ce noyau, il pourrait vivre plus longtemps, comme nous l'avons récemment démontré avec le 252Rf".
Les chercheurs estiment que le 256Sg, encore non découvert, pourrait avoir une demi-vie beaucoup plus courte que ce que prédisent les prédictions théoriques, passant potentiellement des 6 microsecondes prévues à seulement une nanoseconde.
Une telle déviation significative de la stabilité constituerait un nouvel aperçu important en physique nucléaire.
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L'accomplissement expérimental a nécessité de surmonter des défis techniques importants. Travailler avec des noyaux qui existent pendant quelques millisecondes seulement nécessitait des systèmes de détection extrêmement rapides et une précision de timing.
'Dans le cas des noyaux à courte durée de vie, il est très important d'avoir un séparateur de longueur relativement courte et, plus crucial encore, d'avoir des dispositifs électroniques numériques rapides capables de démêler les signaux de désintégration radioactive jusqu'à environ 100 ns,' a expliqué Khuyagbaatar.
L'équipe a développé des dispositifs électroniques numériques spécialisés à GSI qui se sont révélés cruciaux pour plusieurs découvertes d'éléments super lourds.
Le prochain objectif de l'équipe est de synthétiser le 256Sg pour vérifier si la diminution spectaculaire de la stabilité prédite se produit réellement.
'En effet, nous essaierons d'explorer d'autres cas d'états isomériques K à longue durée de vie dans les noyaux super lourds,' a déclaré Mosat. 'En ce qui concerne le sujet actuel, notre plan le plus proche sera d'essayer de synthétiser le prochain inconnu, le 256Sg.'
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Plus d'informations:
P. Mosat et al, Exploration des effets de coque sur la fission : le nouveau noyau super lourd 257Sg, Lettres de Physique (2025). DOI: 10.1103/s7hr-y7zq
Informations sur la revue:
Lettres de Physique
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