Parvenir à une image plus claire du monde nucléaire
Le noyau – constitué d’un ensemble de protons et neutrons – est au cœur de toute la matière. Chaque atome est constitué d’un noyau chargé positivement, entouré d’un nuage d’électrons chargés négativement. Bien que son existence ait été découverte il y a plus de 100 ans, les scientifiques n’appréhendent pas encore complètement ses propriétés. «Un des principaux défis à relever pour comprendre les noyaux est liée au fait que la force entre les nucléons (les protons et les neutrons), est actuellement mal définie», explique Kieran Flanagan, professeur de physique nucléaire à l’université de Manchester, au Royaume-Uni. «Il existe cependant certains noyaux dont la structure est relativement simple. Ces systèmes nucléaires représentent un laboratoire idéal pour mieux comprendre les forces qui agissent entre les nucléons. Un grand nombre de ces noyaux ont cependant une durée de vie très courte, et ne peuvent être examinés que dans des installations nucléaires spécialisées.»
Étudier les noyaux à vie courte
Le projet FNPMLS, soutenu par l’UE, a été lancé dans le but de mesurer avec plus de précision ces noyaux à vie courte et de mettre une technique exploitable à la disposition d’un public scientifique plus large. Une méthode appelée spectroscopie colinéaire par ionisation résonante (CRIS) a été mise au point à cet effet. Cette technique applique la spectroscopie laser pour fournir des mesures haute résolution des noyaux. Le projet a été réalisé à l’installation ISOLDE du CERN, la première installation de faisceaux radioactifs au monde. «Le CRIS a été proposé pour la première fois au début des années 1980 comme moyen de réaliser simultanément des mesures de haute précision et de haute sensibilité», ajoute Kieran Flanagan. «Cela en fait un outil potentiellement idéal pour étudier ces noyaux à vie courte.» Si Kieran Flanagan et son équipe avaient déjà pu démontrer la grande sensibilité de la méthode CRIS, combiner haute précision et haute sensibilité n’avait encore jamais été réalisé expérimentalement. «Démontrer que la méthode CRIS pouvait y parvenir était un des objectifs clés de ce projet», explique Kieran Flanagan. «Cela a pu se faire grâce au développement d’une nouvelle méthode de lumière hachée, où les étapes de résonance et d’ionisation sont décalées l’une par rapport à l’autre. Cela améliore notre résolution d’un facteur supérieur à 50.»
Faire avancer la théorie nucléaire
Le projet FNPMLS s’appuie sur ce que Kieran Flanagan appelle une «révolution tranquille» dans la théorie nucléaire: l’expansion galopante de la puissance de calcul. Cela a donné aux scientifiques nucléaires la possibilité d’anticiper avec plus de précision les propriétés des noyaux. Kieran Flanagan voit ce projet comme une continuation de ces avancées, fournissant aux scientifiques un outil potentiellement précieux pour mieux comprendre les interactions fondamentales qui interviennent au sein du noyau. Les expériences menées dans le cadre du projet ont déjà permis de faire progresser notre compréhension des noyaux et ont apporté leur contribution à la théorie nucléaire. «La sensibilité de la méthode CRIS a ouvert de nouvelles possibilités pour l’étude des molécules radioactives à vie courte, telles que le monofluorure de radium (RaF)», explique Kieran Flanagan. «Aucune étude expérimentale n’avait été menée à ce jour en raison des difficultés liées à la préparation d’échantillons radioactifs de RaF. Cependant, nous avons pu mesurer pour la première fois la structure moléculaire du RaF, et démontrer que la méthode CRIS est un outil idéal pour étudier ces systèmes à vie courte.» La haute sensibilité de la méthode CRIS se prête également à l’amélioration d’autres techniques. Parmi celles-ci figure l’amélioration des performances de la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS). Les applications critiques de cette technique sont nombreuses, par exemple dans la caractérisation des déchets nucléaires de faible activité et la restauration des terres. «Nous avons depuis établi une collaboration avec le Laboratoire nucléaire national britannique et l’Autorité britannique de démantèlement nucléaire», fait-il remarquer. «Nous avons également obtenu une bourse pour financer un doctorat afin de travailler sur le développement de ce concept.»
Mots‑clés
FNPMLS, nucléaire, noyau, proton, électron, nucléon, spectroscopie, physique
