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Comment l’or et le platine se sont-ils formés dans l’univers ? - 11 Décembre 2015

C’est pour répondre à cette question qu’une équipe internationale rassemblant des chercheurs japonais, français, sud-coréens et italiens a réalisé au GANIL une expérience au cours de laquelle ont été créés, pour la première fois, des isotopes radioactifs très riches en neutrons. Ces éléments pourraient être à l’origine de la production dans les étoiles des métaux précieux lourds comme l’or et le platine.

Cette expérience vient de faire l’objet d’une publication dans la prestigieuse revue Physics Review Letters*. Elle salue une première mondiale rendue possible grâce à une technique de production particulière et à l’utilisation du spectromètre magnétique VAMOS++ du GANIL**. Ce travail pourrait permettre de mieux comprendre les mécanismes de synthèse, dans les étoiles, de près de la moitié des éléments chimiques plus lourds sur le fer, dont l’or et le platine. La compréhension de ces mécanismes motive la construction d’une installation appelée KISS et située au sein du laboratoire Riken au Japon, dédiée à la production et à l’étude de ces isotopes rares, et pour certains d’entre eux très précieux !  
 

Le contexte de recherche

Différents processus de production de nouveaux noyaux sont en jeu pour expliquer l’abondance isotopique des éléments chimiques sur Terre***. L’un d’entre eux, le « processus r », est notamment invoqué pour expliquer la formation, lors de l’explosion d’étoiles massives appelées « super novae », de près de la moitié des éléments stables plus lourds que le Fer-56. Lors de l’explosion de ces étoiles, on suppose que de nombreux noyaux radioactifs sont produits par une succession de captures de neutrons et de désintégrations dite bêta (émission d’un électron). La figure ci-dessous montre plusieurs hypothèses quant au cheminement de ce processus r dans la carte des noyaux, conduisant à la production d’isotopes radioactifs dont la décroissance bêta conduit finalement à la formation d’isotopes stables, dont ceux de métaux tels que l’or et le platine.  La figure montre que les noyaux comptant 126 neutrons jouent un rôle particulier dans ce processus de nucléosynthèse.

Pourquoi ?

Parce que dans un noyau atomique, les nucléons occupent une succession de couches, un peu à la manière des électrons du cortège atomique. Or le remplissage complet d’une couche, associée à un « nombre magique » de protons ou de neutrons, confère au noyau un surcroît de stabilité. N=126 est ainsi le dernier nombre magique connu pour les neutrons et il joue un rôle clé dans la chaîne de transformations qui conduit à la formation d’isotopes stables plus lourds que le fer.

Pour comprendre l’origine de ces éléments chimiques et leur abondance sur Terre, il est nécessaire de connaître les propriétés des éléments radioactifs qui sont à leur origine, au voisinage de N=126, et en particulier leur durée de vie ou encore leur propension à capturer ou non des neutrons. Cependant, du fait même de leur caractère radioactif, ces isotopes n’existent pas naturellement sur Terre et il faut donc les produire en laboratoire pour les étudier. C’est la première étape, leur création, qui a été réalisée récemment au GANIL pour la première fois.

A noter : 126 n’est pas le seul « nombre magique » caractérisant les noyaux atomiques : ceux comptant 2, 8, 20, 28, 50 ou 82 protons et/ou neutrons sont également généralement plus stables que les autres noyaux. L’étude de ces « noyaux magiques » constitue un axe important de la recherche en physique nucléaire car elle permet de mettre à l’épreuve les modèles de « structure en couches » du noyau atomique.     

L’expérience menée

La production d’isotopes radioactifs est monnaie courante au GANIL, comme dans d’autres laboratoires de recherche en physique nucléaire. Les méthodes de fabrication les plus courantes sont la fusion (à la manière de deux gouttes d’eaux fusionnant pour en constituer une plus grosse), la fission (un processus inverse lors duquel un noyau très lourd se casse en deux morceaux) et la fragmentation (à la manière d’une pierre que l’on casse sur une autre pierre pour en récupérer un éclat).

Aucune de ces trois méthodes n’a permis à ce jour de produire en laboratoire les isotopes recherchés, parce que leur très grande richesse en neutrons les rend difficile à produire à partir de noyaux stables tel que le Plomb-208 (Z=82 ; N=126). La méthode employée avec succès au GANIL a consisté à projeter, sur une feuille très mince de Platine-198 (Z= 78; N=120), des noyaux stables de Xénon-136 (Z= 54; N=82), accélérés par les cyclotrons du GANIL à une énergie permettant un échange de protons et de neutrons entre les deux noyaux. Comme schématisé dans la figure 2, lorsque les collisions se font à la périphérie du noyau et non pas de manière frontale, le projectile peut céder un certain nombre de neutrons aux noyaux de la cible et lui arracher simultanément quelques protons. C’est cette technique qui a été employée lors de l’expérience pour produire plusieurs isotopes radioactifs très exotiques : ils comptent à la fois 126 neutrons et moins de 82 protons.

Les résultats obtenus

Le Xénon est projeté à haute énergie sur une cible de Platine très fine. Ainsi, les éléments résiduels des réactions de fusion les plus légers poursuivent leur course vers un spectromètre pour être analysés. Ils ont pu être identifiés lors de l’expérience au moyen du spectromètre magnétique VAMOS++ du GANIL. En observant un grand nombre des noyaux produits lors de ces collisions, les physiciens ont pu prouver que certaines d’entre elles ont bien conduit à la fabrication des isotopes très riches en neutrons recherchés. C’est la première fois que leur existence est attestée en laboratoire. Il s’agit à l’avenir de répéter le même type d’expérience et d’aller plus loin en étudiant les propriétés de ces noyaux exotiques, qui sont à l’origine dans l’univers des métaux précieux lourds, tels l’or et le platine.

C’est notamment l’ambition de l’installation KISS**** en cours de construction au Japon.

Références :   

* “Pathway for the production of neutron-rich isotopes around the N = 126 shell closure”: Y.X. Watanabe, Y.H. Kim et al., Physical Review Letters 115 (2015) 172503;

** A. Navin et M. Rejmund, in McGRAW-HILL YEAR-BOOK OF SCIENCE & TECHNOLOGY (2014), p. 137

*** voir par exemple : http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/Nucleosynthesis.htm

**** http://kekrnb.kek.jp/en/kiss.html

 

 



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