Pour mieux comprendre les mécanismes de la radioactivité bêta, des chercheurs américains ont choisi d’intégrer à leurs modèles, les corrélations et interactions qui existent entre les nucléons au cours de la désintégration. © Ezume Images, Fotolia

Sciences

On comprend mieux la radioactivité bêta

ActualitéClassé sous :physique , radioactivité , radioactivité bêta

Pourquoi au cœur des noyaux atomiques, la désintégration bêta se produit-elle à un rythme plus lent que dans le cas de neutrons libres ? Pour résoudre cette énigme vieille de quelque 50 ans, des chercheurs américains ont intégré à leurs équations, quelques effets d'interaction des plus subtils. Et leurs calculs s'accordent bien aux résultats d'expériences.

La radioactivité est un phénomène physique qui se produit au cœur des noyaux atomiques. Elle transforme les atomes et s'accompagne d'une émission de particules et d'énergie. La radioactivité bêta est celle qui donne naissance à des électrons ou à des positrons tout en transformant des neutrons en protons et inversement.

Les principes de base de cette désintégration restaient encore mystérieux. Ainsi les spécialistes s'étonnaient de voir qu'au cœur d'un noyau atomique, la désintégration bêta apparaît plus lente que lorsqu'elle touche un neutron libre. Mais une équipe du Laboratoire national Oak Ridge (États-Unis) propose aujourd'hui une réponse à cette énigme vieille de quelque 50 ans.

Les physiciens ont notamment étudié la décroissance de l'étain-100 en indium-100. L'étain 100, noté 100Sn, compte 50 protons et 50 neutrons. Des chiffres qui aux yeux des physiciens le rendent « doublement magique ». Dans le monde de la physique nucléaire, en effet, il existe des nombres - de protons ou de neutrons - dits magiques qui correspondent à une structure nucléaire particulièrement stable. C'est le cas du nombre 50. Pourtant l'étain-100 est bien un isotope radioactif du fait de son déficit prononcé en neutrons pour un atome de sa taille. Par le biais d'une désintégration bêta plus qui émet un positron et un neutrino et qui transforme un proton en neutron, l'étain-100 devient donc indium-100, un isotope de l'indium noté 100In et qui compte 49 protons et 51 neutrons.

Les travaux de chercheurs américains montrent que les fortes corrélations et interactions qui existent entre deux nucléons réunis au sein d’un noyau atomique ralentissent la désintégration bêta par rapport à ce qu’il se passe lors de désintégrations de neutrons libres. © Andy Sproles/Laboratoire national d’Oak Ridge, Département de l’énergie des États-Unis

Le coup de pouce des supercalculateurs

Pour décrire précisément ce phénomène, les chercheurs ont dû simuler avec précision la structure du noyau de 100Sn et celle du noyau de 100In. Une tâche relativement aisée concernant l'étain-100 « doublement magique » dont la structure « n'est pas si compliquée ». Mais une tâche un peu plus complexe concerne le noyau d'indium-100. Une complexité à laquelle les physiciens sont venus à bout en empruntant quelques idées à la chimie quantique pour modéliser les forces qui agissent entre ses différents nucléons.

L'intégration au calcul des interactions et des corrélations entre nucléons au cours de la désintégration a constitué un défi de taille pour l'équipe. Par le passé, les physiciens s'en sortaient en ajoutant à leurs équations, un facteur arbitraire permettant de rapprocher les taux de désintégration des neutrons dans et à l'extérieur du noyau. « Personne ne savait pourquoi cela fonctionnait, mais cela fonctionnait », commente Gustav Lansen. « Grâce à notre supercalculateur Titan, nous avons montré qu'il était inutile de recourir à ce facteur arbitraire simplement en considérant que le phénomène fait intervenir deux nucléons. » Ainsi, deux protons qui se désintègrent en un proton et un neutron.

L'équipe compte maintenant mobiliser la puissance du supercalculateur Summit pour simuler comment le calcium-48 - un autre noyau « doublement magique » - pourrait subir une désintégration bêta sans émission de neutrino. Et ainsi aider les expérimentateurs à déterminer le matériau idéal à la détection d'un tel phénomène. Car si cette bizarrerie théorique pouvait être observée, elle éclairerait d'un regard nouveau le mystère de la masse du neutrino.

  • La désintégration bêta se produit plus lentement s’agissant de noyaux atomiques que de neutrons libres.
  • Pour expliquer ce phénomène, des chercheurs ont étudié la désintégration bêta plus de l’étain-100 en indium-100.
  • Grâce à la puissance de leur supercalculateur, ils ont pu démontrer que le phénomène s’explique par de fortes corrélations et interactions entre les nucléons au cours du processus.
Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi

Kezako : quels sont les effets de la radioactivité sur la matière ?  La radioactivité est un phénomène physique naturellement présent dans l'Univers. Elle est due à des noyaux atomiques instables qui se désintègrent et dégagent des rayonnements divers plus ou moins pathogènes. Unisciel et l’université de Lille 1 nous éclairent, avec le programme Kezako, sur les risques et les effets de ces rayonnements.