Thorium

1 juin 2023

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par l'Université de Mayence

L'isotope du thorium avec le nombre de masse 229 (229Th) est très excitant à bien des égards, pour la physique fondamentale ainsi que pour les applications futures, par exemple dans le sens d'une horloge nucléaire.

Une équipe de recherche internationale germano-chinoise-américaine avec la participation du groupe du professeur Dmitry Budker de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence a maintenant proposé une approche entièrement nouvelle pour étudier le 229Th en détail. Les chercheurs veulent utiliser des ions thorium qui n'ont plus que trois électrons dans leur coquille sur les 90 présents dans un atome neutre.

Un tel système offre de nombreux avantages, rapportent les chercheurs dans le dernier numéro de la revue Physical Review Research, notamment que la première transition nucléaire peut être excitée avec des lasers conventionnels dans la gamme des longueurs d'onde visibles. Cela nécessite cependant que les ions circulent dans un anneau de stockage relativiste.

La particularité du thorium-229 est que son noyau atomique, avec l'état isomérique métastable, le thorium-229m a de loin le niveau d'énergie excité le plus bas de tous les quelque 3 800 noyaux atomiques actuellement connus. C'est donc la seule transition nucléaire potentiellement interrogeable par laser, même sans utiliser d'anneaux de stockage. La mesure extrêmement précise de cette transition et des deux états nucléaires ouvre des perspectives prometteuses et diverses.

À cette fin, les chercheurs dirigés par Dmitry Budker proposent désormais une nouvelle approche, tant en termes d'"objet d'étude" que de cadre expérimental : ils utilisent des ions hautement chargés, ou HCI en abrégé, en particulier ceux dont il ne reste plus que trois électrons dans la couche électronique. Dans ces ions de thorium hautement chargés, l'interaction entre l'électron et le noyau ouvre de nouvelles transitions qui peuvent être utilisées pour "peupler" efficacement l'état isomère nucléaire.

L'idée est d'accélérer ces ions thorium presque à la vitesse de la lumière dans un accélérateur de particules. Ils développent ainsi un effet de levier, pour ainsi dire, afin de les exciter le plus efficacement possible avec un laser classique et ainsi pouvoir les étudier très précisément. Plus important encore, plusieurs états excités peuvent être adressés et utilisés pour "peupler" l'état isomérique qui est réellement intéressant.

La plupart des études précédentes sur le thorium-229m ont porté sur des atomes ou des ions non relativistes dans des états de faible charge, ce qui impose des exigences élevées à la source de lumière requise pour l'excitation, car un laser à longueur d'onde extrêmement courte dans la gamme ultraviolette profonde est nécessaire. "Le fait que nous puissions utiliser un laser dans la gamme de longueurs d'onde visible - conventionnelle - facilite plutôt les études spectroscopiques", explique Dmitry Budker.

"Le fait que cela soit possible est lié au fait que les ions thorium sont accélérés presque à la vitesse de la lumière. En raison d'effets relativistes, ils perçoivent un faisceau laser dirigé vers eux par l'avant comme un faisceau avec une longueur d'onde beaucoup plus courte : pour eux, la lumière laser conventionnelle apparaît comme un laser UV", ajoute le premier auteur Junlan Jin, actuellement doctorant. étudiant à l'Université de Princeton, qui a auparavant travaillé très étroitement et avec succès avec le groupe de Dmitry Budker dans le cadre d'un stage à distance.

Dans la publication actuelle, les auteurs décrivent les différentes étapes nécessaires à la réalisation de leur méthode : ils commencent par la génération d'un faisceau accéléré d'ions de thorium hautement chargés, avec d'éventuels anneaux d'accélérateur se trouvant dans l'installation FAIR en construction au GSI à Darmstadt, en Allemagne, ou dans l'usine Gamma prévue au CERN. Les auteurs de la publication actuelle sur le thorium sont également impliqués dans les propositions conceptuelles pour la réalisation d'une telle "super source de lumière".

Ils discutent ensuite en détail de différents scénarios pour obtenir l'excitation la plus complète possible des noyaux de thorium, avant de se concentrer sur la détection des états excités produits et la transférabilité à des systèmes similaires.

La conclusion de l'équipe de recherche : Selon leur estimation, l'énergie de l'état isomérique peut être mesurée avec une précision meilleure que 10-4 ou même jusqu'à moins de 10-6, ce qui représente des ordres de grandeur d'amélioration de la valeur actuelle. Cela ouvrirait la voie à de nouvelles améliorations dans la détermination de l'énergie de l'état isomérique et aiderait à répondre aux questions fondamentales de physique en utilisant le système du thorium.

"Le développement d'une horloge nucléaire n'est pas tant au centre de notre proposition, car pour sa réalisation notre nouvelle méthode apporte divers défis technologiques", ajoute Dmitry Budker.

"Pour nous, cependant, le thorium est un très grand "terrain de jeu" pour aborder les questions de physique fondamentale, un laboratoire de test pour la nouvelle physique, pour ainsi dire. Par exemple, nous voulons répondre à la question de savoir si certaines constantes fondamentales de la nature ne sont peut-être pas si constantes, mais dérivent ou oscillent avec le temps ou avec la localisation. De plus, on peut imaginer des tests de symétries fondamentales et des recherches de particules ou de champs qui vont au-delà du modèle standard."

Plus d'information: Junlan Jin et al, Excitation et sondage des états nucléaires à basse énergie dans les anneaux de stockage à haute énergie, Physical Review Research (2023). DOI : 10.1103/PhysRevResearch.5.023134

Fourni par Universitaet Mayence