Les noyaux superlourds
Etude de la formation de noyaux superlourds

L'élément le plus lourd trouvé sur terre à l'état naturel est l'uranium Z=92 sous sa forme isotopique U-238, dont la demi-vie est de l'ordre de 5 milliards d'années (approximativement l'âge de la terre). Durant une période de 60 ans, jusqu'en 2005, une vingtaine d'éléments plus lourds ont été synthétisés en laboratoire, avec des périodes beaucoup plus courtes. Le dernier élément dont l'existence était confirmée en 2003, était l'élément Z=112, synthétisé au GSI à Darmstadt. Dans les années 2002 à 2017, des recherches intensives ont eu lieu au FLNR (Flerov Laboratory for Nuclear Research) de Dubna (Russie) et à RIKEN (Japon), conduisant à la mise en évidence de nouveaux éléments et à la confirmation des mesures, ce qui a permis à l'IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) de valider leur découverte et de leur donner un nom définitif. Par exemple, le Z = 113 nommé Nihonium (symbole Nh) : l'équipe japonaise du Dr. Morita de RIKEN l'a produit par la réaction 209Bi(70Zn,n)278Nh, puis a confirmé son identification dans les années 2012-2015. Ou encore le Z = 118,  l'Oganesson (symbole Og) synthétisé en 2002 au FLNR puis confirmé en 2015 (élément nommé d'après le nom de I. Oganessian, directeur du FLNR). Le FLNR a produit le Z=118 par la réaction 249Cf(48Ca,3n)294Og du faisceau de 48Ca sur une cible de 249Cf. La cible était fournie par le laboratoire LLNL (Laboratoire national de Lawrence Livermore, Etats-Unis). Le FLNR est le seul laboratoire au monde à pouvoir produire un faisceau intense de 48Ca.


Combien d'éléments reste-t-il à découvrir? Selon les modèles théoriques, on s'attend à un regain de stabilité au voisinage de Z=120. Cependant, la localisation exacte de cet îlot de stabilité varie avec les modèles. La zone autour de l'élément de Z=114 protons et de N=184 neutrons a ainsi été prédite comme un possible îlot de stabilité. Les recherches pour former des noyaux composés de charge Z~114 ont donc constitué les étapes vers cet îlot.

 

Tous les noyaux synthétisés sont instables : ils vivent de quelques millionièmes de seconde à plusieurs millions d'années. On signe l'existence d'un nouveau noyau superlourd en observant la chaîne de décroissance Alpha à partir de ce noyau inconnu et en identifiant le noyau fils en bout de chaîne.

Les contraintes expérimentales sont principalement liées à l'ordre de grandeur des sections efficaces de production des noyaux superlourds que l'on cherche à former : ainsi les sections efficaces de production des éléments de numéro atomique supérieur à 110 sont inférieures à 1picobarn. Il faut alors disposer de faisceaux très intenses et avoir un taux élevé de réjection du faisceau direct.

Les études menées au GANIL ont commencé en 1999 avec les tests du dispositif expérimental, incluant la cible tournante FULIS conçue par l'Irfu. Les performances du système ont été établies. Une série d'expériences a eu lieu sur l'aire LISE3. L'expérience FINOL a permis de montrer, pour la première fois, la formation d'un noyau composé Z=120.

Voir la page des expériences sur les superlourds, réalisées entre 2000 et 2008.

Voir la page d'étude de la formation des noyaux superlourds, par les mesures des temps de fission et par la spectroscopie des transfermiens.

 

MUSETT, un MUr de Silicium pour l'Etude des transfermiens par Technique d'étiquetage.

Les objectifs sont de réaliser la spectroscopie de nouveaux noyaux exotiques lourds et superlourds (Z >100) jusqu'à présent inaccessibles. Pour étudier ces noyaux caractérisés par des sections efficaces de production très faibles, différents dispositifs ont été construits. Le groupe a ainsi développé le projet de détection MUSETT, Mur de Silicium pour l'Etude des Transfermium par Tagging. Ce mur de détecteurs en silicium innovants a été développé à l’Irfu avec un financement par l'ANR (agence nationale de la recherche). Couplé avec le spectromètre VAMOS au GANIL, MUSETT a permis de réaliser des expériences de spectroscopie prompte par « étiquetage ».

 

Le projet de l'aire expérimentale du Super Séparateur Spectromètre S3 au GANIL.

La machine de nouvelle génération SPIRAL2 produira au GANIL des faisceaux intenses d'ions lourds, de l'hélium au calcium, dans une 1e étape, puis d'uranium. Ils atteindront des intensités de l'ordre de 1pµA à 1pmA. Ces faisceaux permettront en particulier de synthétiser des noyaux lourds et superlourds et d'étudier leur spectroscopie.

Le projet de détection associé est le Super Spectromètre Séparateur S3.  Le DPhN est co-porte-parole du projet S3 (financé par un Equipex) et l'IRFU est fortement impliqué dans la conception de son système de détection ainsi que dans la définition de son programme de physique (porte-parole de 5 lettres d'intention). Avec les faisceaux de très haute intensité fourni par l’accélérateur Linag de SPIRAL2, de nouveaux horizons s’ouvriront pour l’étude des noyaux rares et notamment pour la synthèse de noyaux superlourds à la frontière de la stabilité.

 

Contacts: (spectroscopie des superlourds) Ch. Theisen, (projet S3) A. Drouart, (MUSETT) B. Sulignano M. Vandebrouck

 

Maj : 08/01/2018 (3404)

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