Des chercheurs obtiennent la première mesure de masse de haute précision de l’aluminium-22

Les chercheurs de l’installation de production de faisceaux d’isotopes rares (FRIB) ont effectué une mesure de masse de haute précision de l’aluminium-22. La mesure a été effectuée jusqu’à la « ligne d’égouttement des protons » de la carte nucléaire, qui définit l’une des limites de l’existence des noyaux. Cette ligne d’égouttement est la limite où les protons et les neutrons peuvent former des noyaux atomiques.

Toutes les combinaisons de protons et de neutrons ne fonctionnent pas. D’un côté de la frontière, les protons sont énergétiquement liés dans un noyau. Cependant, si la frontière est franchie et que vous essayez d’ajouter un autre proton au noyau, le proton ne sera plus lié et sera rapidement éjecté du noyau. L’emplacement de la ligne d’égouttement et les phénomènes physiques qui se produisent à proximité de celle-ci remettent en question notre compréhension de la structure nucléaire. L’un des éléments de cette physique est le halo nucléaire, dans lequel un noyau central est entouré d’un « halo » de protons ou de neutrons en orbite. Des mesures de masse de haute précision comme celle de l’aluminium-22 aident les scientifiques à déterminer à quel point les noyaux atomiques sont étroitement liés à mesure qu’ils se rapprochent de la ligne d’égouttement.

FRIB a livré 270 faisceaux d’isotopes rares à des expériences depuis le début de son exploitation par les utilisateurs en mai 2022. En améliorant ses capacités en fonction des besoins scientifiques, le FRIB fournit des isotopes rares qui ne sont disponibles dans aucune autre installation. Les mesures d’isotopes très rares sont essentielles pour vérifier la théorie nucléaire. Les meilleurs cas de test présentent des caractéristiques exotiques qui remettent en question les capacités prédictives d’une théorie ; les halos nucléaires sont l’un de ces cas de test. Les chercheurs ont utilisé cette mesure de la masse de l’aliuminum-22 pour déterminer l’énergie nécessaire pour éliminer le proton le plus externe de l’isotope. Pour qu’un noyau forme un halo de protons, le dernier proton ajouté doit être très faiblement lié à ce noyau. La recherche a montré que c’était le cas pour l’aluminium-22.

Les chercheurs ont utilisé le séparateur avancé d’isotopes rares du FRIB, une installation du Department of Energy Office of Science, pour produire, séparer et identifier un faisceau d’aluminium-22 à des énergies relativistes. Les chercheurs ont ensuite envoyé le faisceau à l’installation d’arrêt des faisceaux, où le faisceau a été arrêté et extrait à basse énergie à l’aide de l’ACGS (Advanced Cryogenic Gas Stopper).

Ensuite, le faisceau a été envoyé à l’installation LEBIT (Low Energy Beam and Ion Trap), où les ions ont été injectés dans un dispositif appelé piège de Penning, qui utilise des champs électriques et magnétiques pour stocker les ions dans l’espace. Les chercheurs ont ensuite mesuré la masse des ions avec une grande précision en observant le mouvement des ions dans le piège.

L’équipe a utilisé une technique de détection nouvellement mise en œuvre au LEBIT, la technique de résonance cyclotronique ionique à imagerie de phase (PI-ICR). Cette technique a permis d’obtenir une mesure d’une précision supérieure à 20 parties par milliard, ce qui représente un défi compte tenu de la très courte demi-vie de l’aluminium-22, qui n’est que de 91 millisecondes.

Ces travaux démontrent le potentiel de FRIB lorsqu’il est associé à un système d’arrêt de faisceau de pointe, utilisant ACGS, et à des mesures de masse avec LEBIT. À l’avenir, FRIB fournira deux ordres de grandeur de courant de faisceau supplémentaires, ce qui permettra à LEBIT d’atteindre des domaines encore plus exotiques du paysage nucléaire.

Légende illustration : Représentation artistique du noyau d’aluminium-22 s’il existe à l’état de halo. Ce noyau contient 13 protons (rouge) et 8 neutrons (bleu). Les noyaux de halo sont caractérisés par la présence d’un ou plusieurs nucléons à une grande distance d’un noyau compact. Credit: Image courtesy of Facility for Rare Isotope Beams

Source: Département de l’énergie Office of Science (USA) – Traduction Enerzine.com