L'élément le plus lourd trouvé en quantité importante sur terre à l'état naturel est l'uranium (Z= 92 protons), majoritairement sous sa forme isotopique 238U (soit 146 neutrons, petit nom U-238), dont la demi-vie est de l'ordre de 5 milliards d'années (approximativement l'âge de la terre). On peut également trouver des traces de Neptunium (93 protons) et de plutonium (94 protons) qui sont issues de réactions nucléaires naturelles avec l’uranium. Depuis les années 1960, plus d’une vingtaine d'éléments plus lourds ont été synthétisés en laboratoire, avec des demi-vies beaucoup plus courtes. On parle d’éléments superlourds si leur noyau compte plus de 104 protons.
Dans les années 2002 à 2017, des recherches intensives ont eu lieu au GSI à Darmstadt, 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. Quelques exemples : la synthèse de l’élément Z=112 au GSI, confirmée en 2003 ; l’élément chimique comportant 113 protons, nommé Nihonium (symbole Nh) : l'équipe japonaise du Dr. Morita de RIKEN l'a synthétisé par la réaction réaction 70Zn + 209Bi -->278Nh + n (fusion d’un noyau de zinc sur un noyau de bismuth puis émission d’un neutron), puis a confirmé son identification dans les années 2012-2015. En 2017, l’élément le plus lourd connu, avec 118 protons, est l'Oganesson (symbole Og). Il a été synthétisé en 2002 au FLNR puis confirmé en 2016 (cet élément tire son nom de I. Oganessian, directeur du FLNR). Le FLNR a produit le Z=118 par la réaction de fusion du faisceau de 48Ca sur une cible de 249Cf [réaction notée : 249Cf(48Ca,3n)294Og ]. Les cibles utilisées dans ces expériences au FLNR sont fournies par le laboratoire LLNL (Laboratoire national de Lawrence Livermore, Etats-Unis), d’où le nom de Livermorium (symbole Lv) attribué à l’élément 116. Le FLNR est le seul laboratoire au monde à pouvoir produire un faisceau intense de 48Ca.
Combien d'éléments reste-t-il à découvrir et plus généralement, quelles sont les limites de cohésion de la matière ? Les prévisions varient selon les modèles théoriques, le maximum de stabilité attendu est calculé entre 114 et 126 protons, et en général 184 neutrons. Les noyaux de cette zone, appelée « îlot de stabilité » pourraient avoir des temps de vie assez longs, des années selon certains modèles.
Le problème est qu’il est impossible de produire directement ces noyaux avec les méthodes actuelles. La fusion de noyaux plus légers, employée pour produire des éléments superlourds, donne des noyaux qui sont trop pauvres en neutrons (seulement 176 pour les noyaux d’oganesson). Les physiciens étudient donc les propriétés de ces noyaux superlourds pour comprendre leur structure. A l’aide d’extrapolations et de comparaison aux calculs théoriques, ils veulent localiser plus précisément l’îlot de stabilité et déterminer son impact sur les durées de vie de ces noyaux.
Tous les noyaux superlourds sont instables. Les noyaux synthétisés jusqu’à présent vivent de un millième de seconde à plusieurs minutes, même si certains modèles théoriques prévoient que des noyaux superlourds plus riches en neutrons pourraient avoir des temps de vie encore plus longs. Les contraintes expérimentales sont principalement liées aux probabilités de production des noyaux superlourds que l'on cherche à former, qui sont d’autant plus faibles que l’élément à former a un nombre de protons plus élevé: il faut envoyer en moyenne un milliard de milliard de noyaux de 48Ca sur une cible de 249Cf pour former un noyau d’oganesson. Il faut alors disposer de faisceaux très intenses et avoir un taux élevé de rejet du faisceau direct.
Il est enfin nécessaire de détecter et d’identifier les rares noyaux produits. On signe l'existence d'un nouveau noyau superlourd en observant la chaîne de désintégration alpha : le noyau émet un noyau d’hélium et de cette désintégration « décroissance alpha » il résulte un autre noyau, plus léger donc de deux protons et deux neutrons). Cette chaîne est caractéristique des noyaux formés.
Programme expérimental
Notre groupe a mené ces dernières années plusieurs campagnes pour étudier ces noyaux, en utilisant des approches différentes.
Voir la page d'étude de la formation des noyaux superlourds, par les mesures des temps de fission et par la spectroscopie des noyaux transfermiens.
MUSETT, un MUr de Silicium pour l'Etude des transfermiens par Technique d'étiquetage.
Développements instrumentaux
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. Notre groupe a ainsi travaillé sur le développement de deux instruments, installés au Ganil, pour l’étude des noyaux superlourds.
VAMOS « Gas-filled » et le détecteur MUSETT
Le groupe a développé le projet de détection MUSETT (MUr de Silicium pour l'Etude des Transfermiens 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 ».
VAMOS gas-filled (GF) utilise le spectromètre de grande acceptance Vamos existant, en mode « gaz » : Vamos est rempli de gaz, ce qui permet d’améliorer la transmission des noyaux d’intérêt et de les séparer du faisceau incident, notamment dans le cas des réactions de fusion-évaporation.
Couplé avec un détecteur de rayons gamma (comme AGATA ou Exogam) autour de la cible, et avec le détecteur MUSETT au plan focal du spectromètre, VAMOS-GF sera un des dispositifs les plus performants au monde.
Le Super Séparateur Spectromètre S3 et la station de décroissance Sirius
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 1 pµA à 1 pmA. 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.
Pour réaliser la spectroscopie de décroissance de ces noyaux très lourds sélectionnés par S3, nous nous sommes impliqués dans la conception et la réalisation de la station SIRIUS (Spectroscopy and Identification of Rare Ions Using S3). Elle a pour but de permettre la détection des particules alpha, gamma, des électrons ou des fragments de fission émis lors de la désintégration du noyau superlourd. SIRIUS est composé de Trackers de faisceaux reconstruisant la trajectoire des ions lourds qui vont s’implanter dans une boîte de silicium. Cette dernière est entourée de détecteur germanium pour la spectroscopie gamma.
Enfin, notre groupe s’est récemment impliqué dans la conception d’un nouveau détecteur pour l’identification et la spectroscopie haute résolution des noyaux superlourds après la LEB (Low Energy Branch) implantée à la fin de S3 comme alternative à SIRIUS. Celle-ci permet de réaliser la spectroscopie laser haute résolution des noyaux d’intérêt, afin d’obtenir de nouvelles observables comme le rayon de charge, les moments dipolaire magnétique et quadripolaire électrique des noyaux superlourds.
Contacts: (S3) A. Drouart, (MUSETT) B. Sulignano (VAMOS-GF) Ch. Theisen, M. Vandebrouck
Le projet de l'aire expérimentale du Super Séparateur Spectromètre S3 au GANIL.
• Structure de la matière nucléaire › Noyaux atomiques
• Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
