Du carbone à l’uranium et de l’oxygène au fer, les éléments chimiques sont les éléments constitutifs du monde qui nous entoure et de l’univers au sens large. Aujourd’hui, les physiciens espèrent avoir un aperçu sans précédent de leurs origines, avec l’ouverture d’une nouvelle installation qui créera des milliers de versions étranges et instables d’atomes qui n’ont jamais été enregistrées sur Terre.
En étudiant ces versions, connues sous le nom d’isotopes, ils espèrent mieux comprendre les interactions qui ont créé Éléments à l’intérieur des supernovae, ainsi que de tester des théories sur la « force forte » – l’une des quatre forces fondamentales de la nature, qui lie les protons et les neutrons dans le noyau d’un atome. L’installation peut également produire de nouveaux analogues à usage médical.
Les atomes sont constitués de protons, de neutrons et d’électrons. Le nombre de protons détermine le comportement chimique d’un atome et de quel élément il s’agit – par exemple, le carbone a toujours six protons, l’or 79 – tandis que les atomes du même élément avec un nombre différent de neutrons sont appelés isotopes.
Étant donné que de nombreux isotopes sont instables et se désintègrent rapidement, parfois en quelques millisecondes, les scientifiques n’ont étudié qu’un petit pourcentage de ces isotopes supposés exister.
« Il y a 285 isotopes d’éléments trouvés sur Terre, mais nous pensons qu’il y a probablement 10 000 isotopes d’éléments même de l’uranium », a déclaré le professeur Bradley Sherrill, directeur scientifique du Rare Isotope Rays Facility (FRIB) de l’État du Michigan. L’université a officiellement ouvert ses portes le 2 mai. « L’objectif de FRIB est de fournir autant d’accès à ce vaste paysage à partir d’autres pairs que la technologie le permet. »
Certains de ces « isotopes rares » peuvent conduire à des réactions cruciales pour la formation des éléments, donc en les étudiant, les physiciens espèrent mieux comprendre l’histoire chimique de l’univers – y compris comment nous en sommes arrivés là.
On pense que la grande majorité des éléments sont originaires de supernovae, mais « dans de nombreux cas, nous ne savons pas quelles étoiles ont créé quels éléments, car ces interactions impliquent des isotopes instables – des choses que nous ne pouvons pas facilement saisir », a déclaré le professeur Gavin Lotay, un physicien nucléaire de l’Université de Surrey, qui prévoit d’utiliser la nouvelle installation pour étudier les explosions courantes appelées sursauts de rayons X à l’intérieur des étoiles à neutrons.
Un autre objectif est de comprendre suffisamment bien les noyaux atomiques pour en développer un modèle complet, qui pourrait fournir de nouvelles informations sur le rôle qu’ils jouent dans la génération d’énergie pour les étoiles ou sur les réactions qui se produisent dans les centrales nucléaires.
L’installation peut également produire des analogues médicalement utiles. Les médecins utilisent déjà des radio-isotopes dans les examens des animaux de compagnie et certains types de radiothérapie, mais la découverte de plus d’isotopes pourrait aider à améliorer l’imagerie diagnostique ou fournir de nouvelles façons de trouver et de détruire les tumeurs.
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Pour générer ces isotopes, FRIB accélérera un faisceau de noyaux atomiques à la moitié de la vitesse de la lumière et l’enverra dans un tube de 450 mètres, avant de le fracasser dans une cible qui décompose certains des atomes en plus petits groupes de protons et de neutrons. Une série d’aimants filtrera ensuite les isotopes souhaités et les dirigera vers des salles expérimentales pour une étude plus approfondie.
« En un millionième de seconde, nous pouvons sélectionner un isotope spécifique et le soumettre à une expérience où [scientists] « Nous pourrions le capturer et observer sa désintégration radioactive, ou nous pourrions l’utiliser pour induire une autre réaction nucléaire et utiliser ces produits de réaction pour nous dire quelque chose sur la structure de l’isotope », a déclaré Sherrill.
Les premières expériences consisteront à fabriquer les isotopes les plus lourds possibles du fluor, de l’aluminium, du magnésium et du néon, et à comparer les taux de décroissance radioactive à ceux prédits par les modèles actuels. « Ce serait une surprise si nos observations étaient conformes à ce que nous attendions », a déclaré Cheryl. « Ils ne seront probablement pas d’accord, et nous utiliserons ensuite ce désaccord pour améliorer nos modèles. »
Environ un mois plus tard, les chercheurs du FRIB prévoient de mesurer la désintégration radioactive des isotopes supposés exister dans les étoiles à neutrons – certains des objets les plus denses de l’univers, qui se forment lorsqu’une étoile massive a manqué de carburant et s’est effondrée – pour mieux comprendre leur comportement.
« Enfin, nous avons les outils pour permettre aux gens de faire la recherche qu’ils attendent depuis 30 ans », a déclaré Cheryl. « C’est comme avoir un nouveau télescope plus grand qui peut voir dans l’univers plus que jamais – seulement nous verrons plus loin dans le paysage nucléaire que nous ne pouvions regarder auparavant. Chaque fois que vous avez un nouvel instrument comme celui-ci, il y a un potentiel pour la découverte. »