ISOLDE révèle les métamorphoses d'isotopes du mercure

Les lasers de RILIS, le dispositif d'ISOLDE utilisé pour mettre en évidence la structure des noyaux d'isotopes du mercure. (Image : Noemi Caraban/CERN)

En associant de façon inédite physique nucléaire expérimentale et techniques de modélisation théoriques et informatiques, une équipe internationale travaillant auprès de l'installation de physique nucléaire ISOLDE au CERN a révélé toute l'étendue de l'alternance de formes pair-impair que présentent certains isotopes exotiques du mercure, et formulé une explication. Le résultat, publié aujourd'hui dans Nature Physics, dévoile et explique un phénomène restreint aux isotopes du mercure, dans lequel la forme des noyaux nucléaires change radicalement, alternant entre rond et ovale.

Les isotopes sont des variantes d'un élément qui contiennent le même nombre de protons dans leur noyau, mais un nombre de neutrons différent. Les propriétés des différents isotopes peuvent être exploitées de plusieurs manières, y compris pour la datation archéologique et historique (le carbone 14) ainsi que pour les diagnostics médicaux. Les isotopes stables ont une proportion optimale de protons et de neutrons. Par contre, au fur et à mesure que le nombre de neutrons augmente ou diminue, des changements structurels du noyau deviennent nécessaires, et l'isotope devient généralement instable. Cela signifie qu'il va spontanément se transformer, par désintégration radioactive, jusqu'à devenir un isotope stable d'un autre élément. Les isotopes dont le rapport entre le nombre de neutrons et de protons est très éloigné de l'optimal ont généralement une durée de vie très courte, ce qui les rend difficiles à produire et à étudier en laboratoire. ISOLDE est le seul endroit au monde où il est possible d'étudier une gamme aussi vaste d'isotopes exotiques.

L'une des premières expériences ayant fonctionné auprès de l'installation ISOLDE avait réalisé la première observation montrant des changements de formes très nets dans la chaîne des isotopes du mercure. Ce résultat, qui date de plus de 40 ans, a montré que, même si la majorité des isotopes ayant un nombre de neutrons compris entre 96 et 136 ont un noyau sphérique, ceux contenant 101, 103 et 105 neutrons présentent un noyau fortement allongé, de la forme d'un ballon de rugby. Cette découverte est restée l'un des résultats majeurs d'ISOLDE ; toutefois, la différence de forme était si impressionnante qu'elle en devenait difficile à croire.

Pour le nouveau résultat publié ce jour, l'équipe de l'expérience a utilisé les techniques de la spectroscopie par ionisation laser, de la spectroscopie de masse et de la spectroscopie nucléaire pour regarder de plus près comment, pourquoi et quand ces transitions de phase quantiques ont lieu. L'équipe est non seulement parvenue à reproduire les résultats de l'expérience historique (en observant les isotopes jusqu'au mercure 181), en produisant et en étudiant par-dessus le marché quatre isotopes exotiques supplémentaires (177-180), mais elle a aussi découvert le point auquel le changement de forme cesse et les isotopes de mercure adoptent à nouveau un comportement normal pour un isotope. Plusieurs théories avaient été élaborées pour tenter de décrire le phénomène, mais aucune ne parvenait à fournir une explication complète.

« En raison de l'extrême difficulté de produire ces noyaux exotiques, ainsi que de la complexité, du point de vue informatique, de la modélisation d’un système aussi complexe, les raisons de ce phénomène de changement de forme demeuraient obscures, explique Bruno Marsh. Ce n'est que maintenant, grâce aux nouvelles améliorations de la source d'ions RILIS (Resonance Ionisation Laser Ion Source) et en joignant nos forces à celles d'autres équipes d'ISOLDE, que nous avons été en mesure d'examiner la structure nucléaire de ces isotopes. »

Ces observations expérimentales étaient en elles-mêmes exceptionnelles, mais la collaboration souhaitait aller plus loin, et expliquer par la théorie l'effet du changement de forme. En utilisant l'un des superordinateurs les plus puissants au monde, des théoriciens basés au Japon ont réalisé les calculs les plus ambitieux à ce jour sur le « modèle en couches » nucléaire.

Ces calculs ont identifié les composants microscopiques qui entraînent le changement de forme ; plus précisément, ils ont permis de déterminer que quatre protons sont excités au-delà du niveau prédit à partir de la manière dont les autres isotopes stables se comportent. Ces quatre protons se combinent avec huit neutrons, et cela entraîne le changement de forme nucléaire vers l’ovale. En fait, les deux formes nucléaires sont possibles pour chaque isotope du mercure, selon que ce dernier est dans l'état fondamental ou dans un état excité, mais, dans leur état fondamental, la plupart ont un noyau sphérique (c'est-à-dire en forme de ballon de football). Ce qui est étonnant est que, pour trois des isotopes, c’est la forme allongée d'un ballon de rugby qui constitue l’état fondamental.

  « L’ingéniosité et l’innovation sont des caractéristiques particulièrement présentes dans la communauté d’ISOLDE, et le fait que les équipes aient créé et mesuré la série des isotopes du mercure en est un très bel exemple, a déclaré Eckhard Elsen, Directeur de la recherche et de l’informatique au CERN. Je suis encore plus impressionné par leur prouesse d’avoir fourni en même temps, grâce à une modélisation effectuée par un superordinateur, l’explication théorique de ce comportement. »