La spectroscopie laser permet de mettre en lumière des propriétés nucléaires cachées du fermium
Les premières mesures de haute précision du noyau du fermium 255 confirment la validité des modèles nucléaires modernes et font progresser la recherche sur les éléments superlourds
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Pour la première fois, des chercheurs ont déterminé la forme du noyau actinide du fermium 255 et mesuré sa structure avec une grande précision et une haute résolution. Cette avancée majeure, publiée dans *Physical Review Letters*, vient étayer les modèles théoriques modernes et ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension du comportement des noyaux atomiques les plus lourds.
L'étude des formes des noyaux atomiques fournit des informations essentielles sur leur structure interne. Dans les nucléides très lourds, la forme du noyau est étroitement liée à leur stabilité face à la fission spontanée et constitue donc un facteur clé dans la recherche d'éléments superlourds à plus longue durée de vie. La fission spontanée résulte de la forte répulsion entre les nombreux protons présents dans les noyaux lourds et limite en fin de compte l’existence d’éléments au-delà de l’uranium (élément 92).
L’étude de ces noyaux représente un défi majeur en raison de leur disponibilité extrêmement limitée issue de la production artificielle. Leur étude nécessite des voies de production spécifiques ainsi que des techniques expérimentales de haute sensibilité. Dans le cadre de ce travail, des voies de production complexes s’étalant sur plusieurs années et impliquant plusieurs installations ont permis d’obtenir des échantillons ne contenant que quelques milliards d’atomes. Cela s’est néanmoins avéré suffisant pour réaliser une spectroscopie laser avancée sur le fermium-255, dont le noyau contient 100 protons et 155 neutrons. En analysant la sous-structure des niveaux d’énergie atomiques de la couche électronique, qui est sensible aux propriétés nucléaires, les chercheurs ont pu extraire des informations sur la forme du noyau.
Les expériences ont été menées dans le cadre d’une collaboration internationale réunissant des scientifiques et des ingénieurs issus de 18 institutions, sous la direction de l’université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), de l’Institut Helmholtz de Mayence (HIM), qui est une antenne du GSI/FAIR, en Allemagne, et de l’université de Göteborg, en Suède, qui est également l’institution d’origine de la première auteure, Mitzi Urquiza-González. La société HÜBNER Photonics GmbH a contribué au projet en accueillant et en soutenant Mitzi Urquiza-González pendant son doctorat, ainsi qu’en apportant son expertise en matière de technologie laser de pointe, qui s’est avérée essentielle à la réussite de l’expérience.
En combinant les données expérimentales sur la structure hyperfine du spectre optique avec des calculs théoriques atomiques avancés, les chercheurs ont déterminé que le noyau du fermium 255 est fortement prolate, ressemblant à un ballon de rugby. Ces nouvelles mesures corrigent les valeurs non physiques figurant dans les tables standard basées sur des rapports antérieurs et s’inscrivent parfaitement dans les modèles nucléaires de pointe. Les résultats ont été publiés dans un article récent paru dans Physical Review Letters.
Structure du noyau atomique et interaction avec la couche électronique
Les atomes sont constitués d’un noyau très petit et chargé positivement, entouré d’un nuage d’électrons. Les électrons les plus proches du noyau se déplacent à très faible distance de celui-ci et sont donc sensibles à sa taille, à sa forme et à ses propriétés magnétiques. En étudiant ces effets à l’aide d’une spectroscopie laser de haute précision, les scientifiques peuvent en apprendre davantage sur la structure du noyau. Pour ce faire, ils projettent un faisceau laser sur les atomes et ajustent minutieusement sa couleur (fréquence) afin de détecter les infimes variations des niveaux d’énergie des électrons entre les états quantiques.
La plupart des noyaux atomiques ne sont pas parfaitement ronds, mais déformés, et beaucoup ressemblent à un ballon de rugby. Cela a des conséquences importantes sur leur interaction avec le champ électrique généré par les électrons qui les entourent. Un deuxième effet électromagnétique se produit dans les noyaux contenant un nombre impair de neutrons : ceux-ci agissent comme de minuscules aimants. Dans l’ensemble, l’interaction de ces noyaux avec leur couche électronique entraîne un léger décalage des transitions électroniques en plusieurs niveaux très proches les uns des autres. C’est ce qu’on appelle l’interaction hyperfine. Ces décalages peuvent être mesurés avec une grande précision à l’aide de techniques de spectroscopie laser, qui fournissent ainsi des informations détaillées sur le noyau.
Les premiers niveaux d’énergie atomique du fermium ont été observés il y a plus de 20 ans à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU). Cependant, en raison des limites techniques de l’époque, la structure hyperfine n’avait pas pu être résolue, ce qui avait conduit à des données nucléaires incomplètes et en partie incohérentes.
De la production d’isotopes à la spectroscopie laser
Le fermium n’existe pas à l’état naturel et doit être produit artificiellement, ce qui rend les recherches expérimentales particulièrement exigeantes. La production du fermium 255 a débuté par des irradiations neutroniques de plusieurs mois de matériaux transuraniens au réacteur isotopique à haut flux de l’Oak Ridge National Laboratory (États-Unis), ce qui a permis d’obtenir de l’einsteinium 254. Après avoir été utilisé dans des expériences aux États-Unis, le matériau a été transporté à Mayence (Allemagne) pour un premier traitement, avant d’être envoyé à l’Institut Laue-Langevin en France afin d’y subir une nouvelle irradiation neutronique visant à produire de l’einsteinium 255. Cet isotope, qui se désintègre en fermium-255, a finalement été renvoyé à Mayence.
Avec sa demi-vie de 40 jours, l’einsteinium 255 sert de source continue de fermium 255 pendant plusieurs semaines. Des séparations chimiques régulières menées à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ont permis de préparer plusieurs échantillons contenant entre plusieurs dizaines de millions et jusqu’à un milliard d’atomes pour les expériences de spectroscopie.
Les mesures de spectroscopie laser hautement sensibles ont été réalisées au séparateur RISIKO de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU). Au cours de l’expérience, les échantillons de fermium ont été chauffés à environ 1 000 degrés Celsius, provoquant l’évaporation des atomes. Ces atomes ont ensuite été irradiés par un faisceau laser, et l’excitation résonante a entraîné leur ionisation, permettant ainsi une détection sélective. L’équipe a réussi à résoudre la structure hyperfine de deux transitions optiques, grâce à des systèmes laser Ti:saphir spécialement conçus et à une grande expertise dans le traitement de quantités d’échantillons extrêmement faibles.
Des calculs théoriques en accord avec les résultats expérimentaux
Afin d’interpréter les spectres expérimentaux, des calculs de théorie atomique spécifiques ont été réalisés à l’université Jagellonne de Cracovie, en Pologne, et à l’HIM. Ces calculs ont confirmé la forme nucléaire fortement déformée et ont permis de déterminer un moment dipolaire magnétique qui ne correspond pas aux valeurs précédemment répertoriées et qui les corrige. Les résultats concordent parfaitement avec les prédictions de la théorie nucléaire moderne développées au CEA d’Arpajon (France), à l’IP2I de Lyon (France) et à l’université technique de Darmstadt (Allemagne).
Cette expérience comble une lacune importante dans notre connaissance des propriétés nucléaires des éléments les plus lourds et démontre que des mesures de précision sont possibles même avec des quantités extrêmement faibles de matière.
En fournissant des informations précises sur la forme nucléaire et les propriétés magnétiques de ces systèmes très lourds, ces résultats améliorent directement les modèles de fission nucléaire, contribuant ainsi à prédire la stabilité d’éléments superlourds encore inconnus et à orienter les futures découvertes aux limites du tableau périodique.
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