HIAF : 10 ions d’hafnium-153 aux frontières de la stabilité nucléaire

Pourquoi l’hafnium-153 est important

L’hafnium-153 appartient à la région des noyaux lourds déficients en neutrons. Dans ces noyaux, l’équilibre entre protons et neutrons devient de plus en plus difficile à maintenir. Avant cette expérience, l’existence de cet isotope n’avait pas été rapportée. Son identification et la mesure de sa masse fournissent donc un nouveau point de comparaison pour les modèles de masse nucléaire et pour l’étude de l’évolution de la structure des noyaux aux frontières de la stabilité.

Les mesures indiquent que le ^153Hf est un noyau lié ou faiblement lié, ce qui correspond aux prévisions de plusieurs modèles de masse nucléaire. Cette concordance ne répond pas à toutes les questions sur l’isotope, mais elle constitue un test expérimental précieux pour les théories utilisées afin de prédire le comportement de noyaux très difficiles, voire impossibles, à observer directement.

Comment les chercheurs ont trouvé 10 ions

L’expérience a commencé avec un faisceau de bismuth-209 accéléré à 836,66 MeV par nucléon dans l’anneau accélérateur BRing du HIAF. Le faisceau a ensuite percuté une cible en graphite. Cette collision a provoqué des réactions de fragmentation du projectile, produisant un mélange de noyaux radioactifs.

Le véritable défi consistait alors à isoler l’hafnium-153 parmi une quantité bien plus importante de produits de réaction courants. La ligne de faisceau HIRIBL a trié et transporté les noyaux issus de la collision vers l’anneau de stockage et de spectrométrie SRing. Des détecteurs mesurant le temps de vol ont permis de distinguer rapidement les noyaux candidats, tandis que la spectrométrie de masse isochrone a fourni la précision nécessaire pour confirmer leur identité et mesurer leur masse. Au total, 10 ions de ^153Hf ont été enregistrés.

L’isotope a été produit avec une section efficace estimée à l’échelle du picobarn, ce qui signifie qu’il apparaît extrêmement rarement. Pour parvenir à le détecter, plusieurs technologies ont dû fonctionner de concert : un faisceau primaire très intense, une séparation des fragments à haute résolution et une spectrométrie de masse capable de repérer des ions individuels.

Une observation indépendante au Japon

Presque au même moment, des chercheurs de l’institut japonais RIKEN ont également observé l’hafnium-153 dans la Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), une installation dédiée à la production de faisceaux d’isotopes radioactifs. Cette observation indépendante renforce l’identification de l’isotope et réduit les incertitudes liées à un résultat reposant sur un nombre aussi limité de détections.

Pour les noyaux produits à des taux infimes, une confirmation indépendante est particulièrement importante. Dans ce cas, la concordance entre les observations du HIAF et du RIBF offre une base plus solide pour comparer l’hafnium-153 aux prédictions de la théorie nucléaire.

Une démonstration des capacités du HIAF

La découverte de l’hafnium-153 ne constitue pas l’aboutissement du programme du HIAF, mais plutôt une première démonstration de ses performances pendant sa mise en service. Elle montre que l’accélérateur, la ligne de transport des faisceaux radioactifs, les systèmes de séparation des fragments et les instruments de mesure de masse peuvent fonctionner ensemble pour étudier des noyaux à la fois rares et à durée de vie courte.

À mesure que l’intensité des faisceaux et l’efficacité expérimentale progresseront, la capacité d’exploration du HIAF devrait augmenter d’environ deux ordres de grandeur. Cette montée en puissance pourrait permettre de découvrir d’autres isotopes, de mettre plus sévèrement à l’épreuve les modèles de masse nucléaire et de mesurer les propriétés de noyaux présentant un déséquilibre toujours plus marqué entre protons et neutrons.

L’hafnium-153 compte ainsi pour deux raisons. C’est à la fois un noyau nouveau, particulièrement difficile à produire et à identifier, et la première preuve concrète que le HIAF est prêt à sonder les régions encore peu explorées de la carte nucléaire.