Une équipe internationale de chercheurs, dont des membres de l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers (Kavli IPMU, WPI), a directement observé des « ions muoniques très chargés », une toute nouvelle classe de systèmes atomiques exotiques, dans une expérience en phase gazeuse pour la première fois. L'étude a été publiée en ligne le 16 juin dans Lettres d'examen physique.
L'observation met en évidence les capacités des microcalorimètres avancés de capteur de transition supraconductrice (TES) pour révéler des phénomènes atomiques précédemment inaccessibles.
Les atomes normaux sont constitués d'un noyau et d'électrons liés et sont électriquement neutres. Cependant, lorsque de nombreux électrons sont retirés, l'atome devient très chargé. Ces atomes chargés, appelés ions hautement chargés, sont des outils précieux pour la recherche dans divers domaines, notamment la physique fondamentale, la fusion nucléaire, la science de la surface et l'astronomie.
Les chercheurs sont particulièrement intéressés par les plasmas – le gaz ionisé composés d'ions positifs et d'électrons – trouvé dans des environnements à haute énergie tels que le soleil et les étoiles. L'étude des ions hautement chargés dans le plasma aide à approfondir notre compréhension de la matière dans des conditions extrêmes. Bien que l'accès direct à ces environnements soit impossible, l'analyse des rayons X caractéristiques émis par des ions hautement chargés donne un aperçu de leur structure et de leur comportement.
L'équipe de recherche s'est concentrée sur les ions muoniques hautement chargés, qui contiennent des particules élémentaires chargées négativement appelées muons (voir Fig. 1). L'étude de ces ions pourrait ouvrir de nouvelles avenues de recherche.
L'équipe était dirigée par le professeur agrégé Takuma Okumura de la Tokyo Metropolitan University et scientifique en chef Toshiyuki Azuma de Riken et du Centre international pour les systèmes de mesure du champ quantique pour les études de l'univers et des particules (qup) à l'Organisation de recherche sur les accélérateurs à haute énergie (KEK).
The team also included collaborators from multiple institutions: Tadashi Hashimoto (RIKEN), Koichiro Shimomura (KEK), Daiji Kato (National Institute for Fusion Science), Yasushi Kino and Hirofumi Noda (Tohoku University), Shinya Yamada (Rikkyo University), Shinji Okada and Yuichi Toyama (Chubu University), Tadayuki Takahashi (Kavli IPMU) et Xiao-Min Tong (Université de Tsukuba).
Des ions muoniques hautement chargés sont formés lorsqu'un muon négatif – un cousin plus lourd de l'électron – est capturé par un atome. Pendant la cascade muonique, la plupart des électrons liés sont éjectés, ne laissant qu'un à quelques-uns dans l'atome. Bien que les modèles théoriques aient prédit l'existence d'ions muoniques hautement chargés, tels que des configurations de type H, de type HE et de type Li, ils n'avaient jamais été observés expérimentalement en raison de leur courte durée de vie et du manque de techniques spectroscopiques suffisamment sensibles.
Des expériences ont été menées sur la ligne D2 de l'installation expérimentale de Muon Science (Muse) de l'installation expérimentale des matériaux et des sciences de la vie (MLF) au Japan Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) à Tokai-Mura, Ibaraki. La muse est capable de produire les faisceaux de muon à faible énergie les plus intenses au monde, permettant la génération d'ions muoniques hautement chargés. Pour détecter ces ions, l'équipe a amélioré sa configuration expérimentale.
Ils ont utilisé un microcalorimètre à capteur de transition supraconducteur (TES), un détecteur de rayons X développé pour une spectroscopie à haute précision, y compris les observations de rayons X cosmiques. Le TES est capable de mesurer les énergies des rayons X jusqu'à plusieurs KEV avec une résolution énergétique élevée, ce qui le rend idéal pour identifier des atomes exotiques rares comme les ions muoniques hautement chargés.
En utilisant des atomes d'argon (AR) comme cibles, les spectres de rayons X mesurés étaient d'accord avec les prédictions théoriques (voir Fig. 2). Le pic observé du côté à haute énergie a été émis par un ion argon muonique « de type H » hautement chargé « (μAR¹⁶⁺) avec un électron lié, tandis que trois pics du côté à basse énergie correspondaient à des rayons X caractéristiques émises par des ions » de type HE « , respectivement.
L'observation réussie d'ions muoniques hautement chargés montre l'efficacité des méthodes de l'équipe et ouvre la voie à des recherches élargies dans les systèmes atomiques muoniques.
