Physiciens théoriciens et expérimentateurs ont travaillé ensemble pour mesurer la masse d'un isotope rare censé former un halo de protons rare, publiant les premiers résultats du programme de mesure de précision du FRIB. Crédit : FRIB
Des physiciens théoriciens et des expérimentateurs ont lancé des mesures de précision sur l'aluminium 22 pour explorer son halo de protons, alliant recherche avancée et participation des étudiants à la physique nucléaire.
En mai 2022, un programme de mesures de précision a été lancé par le Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de la Michigan State University (MSU). Le personnel de l'installation LEBIT (Low Energy Beam and Ion Trap) de FRIB prend des faisceaux d'isotopes rares à haute énergie générés au FRIB et les refroidit à un état d'énergie inférieur. Ensuite, les chercheurs mesurent la masse de particules spécifiques avec une grande précision.
L'équipe LEBIT, dirigée par Ryan Ringle, professeur adjoint de physique au FRIB et au département de physique et d'astronomie de la MSU et scientifique principal au FRIB, et Georg Bollen, professeur émérite de physique à l'université et directeur de la division des systèmes expérimentaux du FRIB, a récemment publié une étude. papier qui a utilisé l'installation pour franchir une étape dans la vérification de la masse d'aluminium-22. Les chercheurs pensent que cet isotope exotique démontre une propriété rare mais intéressante : en particulier, le noyau est entouré d’un « halo » de protons qui gravitent autour du noyau de manière lâche. Cette structure de halo révèle des propriétés physiques distinctives au cours de son existence éphémère.
« Ce programme nécessite beaucoup de préparation supplémentaire du faisceau pour réaliser des expériences, et il s'agit de la première mesure du programme scientifique du FRIB », a déclaré Ringle. « Cette mesure n'aurait pas pu être effectuée dans un délai raisonnable au prédécesseur du FRIB, le Laboratoire national du cyclotron supraconducteur, et elle met en évidence le potentiel de notre installation pour aller de l'avant. Considérant que cela a été fait avec un quatre-vingtième de la puissance spécifiée du FRIB, c'était comme un échauffement avant l'exercice.
L'équipe a publié ses résultats dans Lettres d'examen physique («Mesure de masse de précision du candidat Proton Dripline Halo 22Al »).
Capturer des halos de protons insaisissables
Alors que la plupart des atomes ont des électrons en orbite étroite autour du noyau, les protons et les neutrons font partie du noyau lui-même. Cependant, lorsque les atomes rencontrent plusieurs particules chargées identiques dans certaines conditions, ils peuvent créer des halos qui gravitent autour du noyau au-delà de l’attraction de la forte force nucléaire, la force qui maintiendrait normalement ces particules dans le noyau. Bien que toutes les structures de halo soient des phénomènes rares et éphémères, les neutrons sont généralement observés sous forme de particules de halo. La charge positive d'un noyau repousse généralement les charges positives des protons, ce qui signifie que les halos constitués de protons sont encore plus rares. Les mesures sur les isotopes proches suggèrent que l'aluminium 22 pourrait être un isotope susceptible de former un halo de protons, mais les chercheurs devaient le vérifier directement dans d'autres expériences.
Pour y parvenir, l’équipe crée un faisceau d’isotopes à haute énergie d’aluminium-22 en utilisant un processus appelé « fragmentation de projectile » au FRIB. Les chercheurs créent un faisceau à partir d’un noyau atomique lourd et stable d’un élément donné – dans ce cas, un isotope de l’argon – puis accélèrent le faisceau jusqu’à la moitié de la vitesse de la lumière. Le faisceau atteint ensuite une cible grâce à ces projectiles à particules ultra-rapides. Cette violente collision crée des isotopes rares à durée de vie courte que les chercheurs peuvent intégrer dans un instrument pour filtrer la particule qui les intéresse. Ils abaissent ensuite la température pour les ralentir et former un faisceau uniforme et mesurer avec précision la masse des particules.
Bien que l’équipe ait pu mesurer avec précision la masse de l’aluminium 22, cela ne constitue qu’une partie de la vérification de la structure du halo de protons de l’isotope. Les collègues des chercheurs LEBIT de l'installation BECOLA (Beam Cooler and Laser Spectroscopy) du FRIB prévoient désormais de passer à l'étape suivante dans la vérification du halo de protons en mesurant le rayon de charge (la distribution des protons autour du noyau) ainsi que l'ampleur de la charge. le noyau peut être déformé par rapport à sa forme sphérique traditionnelle. Prises ensemble, ces mesures peuvent confirmer sans équivoque l’existence d’une structure de halo de protons autour de l’aluminium-22.
Ringle a souligné que la collaboration entre physiciens théoriciens et expérimentateurs du FRIB joue un rôle essentiel pour la recherche, comme la détermination de l'existence d'un halo de protons autour d'un isotope rare tel que l'aluminium-22.
FRIB offre des opportunités de recherche aux étudiants diplômés
Ringle a remercié les étudiants de l'équipe pour avoir joué un rôle clé dans l'avancement de cette recherche. L'un des étudiants diplômés du LEBIT, Scott Campbell, a entrepris ce projet dans le cadre de sa thèse.
« Il a vraiment pris en charge la conduite de cette expérience du début à la fin », a déclaré Ringle. « Les étudiants qui travaillent avec nous bénéficient réellement de la richesse de l’expertise dont nous disposons dans cet établissement. Nulle part ailleurs un établissement comme celui-ci n’est situé au milieu d’un campus universitaire. Il permet aux étudiants de venir une heure ou deux entre leurs cours ou avant de rentrer chez eux pour la journée. Ils peuvent travailler au laboratoire à temps partiel et facilement associer cela à des cours. Mais notre installation en profite également ; nous avons accru l’accès à des étudiants talentueux et motivés.
Campbell a étudié la physique et l'informatique à l'Université Gonzaga en tant que premier cycle. Il était enthousiasmé par la perspective de venir à MSU pour ses études supérieures, en grande partie parce que FRIB était sur le campus et constituait une ressource majeure pour les étudiants en physique. « J'étais très enthousiasmé par la perspective de faire de la recherche en physique nucléaire à MSU, en particulier avec la montée en puissance du FRIB au cours de mes études », a-t-il déclaré. « Nous avons accès à ces excellentes installations et à une grande communauté, et nous pouvons participer aux avancées révolutionnaires de la science nucléaire. »
Campbell a également noté que FRIB offre non seulement des installations de classe mondiale, mais également des opportunités de réseautage et des mentors comme Ringle. « Nous sommes entourés de collègues qui s’intéressent à vos recherches et souhaitent vous aider à faire avancer la science », a-t-il déclaré.
