Les noyaux des atomes sont loin d’être tous stables. Certains se désintègrent en une fraction de seconde, d’autres ont une demi-vie qui dépasse l’âge de l’Univers. Il existe plusieurs modes de désintégration, les plus connus étant les radioactivités alpha et bêta, identifiées en 1898 par le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford alors qu’il étudiait les propriétés de l’uranium. Mais d’autres modes plus exotiques ont depuis été observés ou prédits théoriquement. Grâce à une modélisation détaillée, Jean-Paul Ebran, du CEA à Arpajon, Elias Khan, du Laboratoire de physique des deux infinis Irène-Joliot-Curie (université Paris-Saclay et CNRS), et leurs collègues viennent de montrer que certains noyaux très lourds se désintègrent en émettant simultanément deux particules alpha dans des directions exactement opposées avec une probabilité assez élevée pour que cela soit mis en évidence expérimentalement.

Une particule alpha est un noyau d’hélium composé de deux protons et de deux neutrons. En émettant une telle particule, un noyau instable d’uranium 238 se déleste de quatre nucléons d’un coup et se transforme en thorium 234. En 1980, le physicien roumain Dorin Poenaru et ses collègues ont montré qu’un noyau peut émettre dans de très rares cas un « cluster », un agrégat contenant plus de nucléons que la particule alpha. Cette possibilité, qui ne s’apparente pas à une fission spontanée du noyau, a été observée pour la première fois en 1984 : H. Rose et G. Jones, de l’université d’Oxford, ont détecté l’émission d’un noyau de carbone 14 par du radium 223. Ce processus de désintégration est très minoritaire. Pour le radium 223, on constate l’émission d’environ cinq noyaux de carbone pour dix milliards de désintégrations alpha. De nombreux autres exemples d’émissions de clusters ont été répertoriés par la suite.

Les spécialistes de physique nucléaire ont suggéré que l’émission simultanée de deux particules alpha est une autre possibilité de désintégration, mais elle n’a jamais été observée. De précédents travaux ont montré que l’émission de deux particules alpha pouvait se faire par l’intermédiaire d’un cluster, en l’occurrence d’un noyau de béryllium 8 très instable, qui se scinde en 10–16 seconde en deux particules alpha. En revanche, la demi-vie associée à une émission directe de deux particules alpha dans la même direction serait de l’ordre de 1033 années, selon des méthodes de calcul dites « semi-microscopiques ». Cette valeur de demi-vie correspond à une probabilité d’occurrence tellement faible qu’il est impossible de l’observer dans une expérience.

Les méthodes de calcul dites « semi-microscopiques » fonctionnent assez bien pour calculer des temps de demi-vie. Ce sont des approches phénoménologiques qui s’appuient sur des formules dont les paramètres sont fixés par des mesures expérimentales. Cependant, pour analyser des effets très rares, il est nécessaire de faire un calcul plus complet. C’est ce que Jean-Paul Ebran, Elias Khan et leurs collègues ont fait pour estimer les temps de demi-vie de l’émission d’une ou de deux particules alpha pour des noyaux très lourds, le polonium 212 et le radium 224. « L’idée consiste à décrire le noyau comme un système microscopique de nucléons en interaction pour calculer la distribution spatiale la plus favorable énergétiquement. En déterminant le chemin (de « moindre action ») entre l’état initial du noyau et l’état émettant une ou deux particules alpha, il est alors possible de calculer avec précision la valeur du temps de demi-vie associé », explique Jean-Paul Ebran.

Pour le radium 224, la configuration la plus favorable d’émission de deux alphas est celle où les particules sont émises à 180 degrés l’une par rapport à l’autre. L’équipe a calculé que la demi-vie associée était de l’ordre de 1014 secondes, ce qui est beaucoup moins que le canal passant par l’émission intermédiaire d’un noyau de béryllium (1028 secondes). Pour le polonium 212, la demi-vie pour l’émission de deux alphas à 180 degrés est de l’ordre de 1018 secondes. Dans les deux cas, la demi-vie calculée est du même ordre de grandeur que certaines émissions de clusters observées expérimentalement. D’après cette étude, cette forme de radioactivité exotique serait donc à la portée de futures expériences, d’autant que l’émission en coïncidence à 180 degrés des deux particules alpha est une signature qui serait très nettement identifiable.





Source [ Pour la science ]