L'état quantique d'un noyau atomique est lié à l'ensemble des niveaux d'énergie occupés par les protons et les neutrons qui le composent. Or certains états excités du noyau ne sont pas plus instables que l'état d'énergie la plus basse (fondamental) – dont la durée de vie est typiquement de l'ordre de la picoseconde (10^-12 s) – mais au contraire, peuvent « survivre » des secondes, des heures, voire même des années. Ces états dits isomériques sont intéressants à étudier pour la traque aux éléments les plus lourds du tableau périodique.

Ces dernières années, l'électronique numérique a gagné du terrain dans les expériences de physique nucléaire. Elle permet désormais d'échantillonner les signaux provenant d'un détecteur à plan focal à une fréquence de 50 à 100 MHz et il est ensuite possible de séparer, grâce à des algorithmes, des événements très proches temporellement.

Avec ce type de dispositif, des physiciens de l'Irfu et de Jyväskylä (Finlande) ont pu étudier pour la première fois la spectroscopie de désintégration du nobelium 250 (²⁵⁰No), composé de 102 protons et 148 neutrons, qui possède un état isomérique particulièrement intéressant.

Le nobelium 250 est ici produit à la fois dans l'état isomérique et dans l'état fondamental, par collision entre un faisceau de particules et une cible. L'état isomérique se désintègre via des états excités intermédiaires, en émettant des électrons et des rayons gamma, avant d'atteindre finalement l'état fondamental. Celui-ci étant radioactif, il se désintègre par divers mécanismes dont la fission.

Après sa production au niveau de la cible, le nobélium 250 est séparé de la plus grande partie des autres produits de réaction grâce à un séparateur. Il est ensuite implanté dans un pixel du détecteur localisé au plan focal du séparateur. Dans ce même pixel, trois événements peuvent être identifiés successivement :

• la réaction nucléaire donnant naissance aux deux états de ²⁵⁰No (via un produit de réaction),
• la désintégration de l'état isomérique de ²⁵⁰No (via une bouffée d'électrons),
• la fission de l'état fondamental de ²⁵⁰No (via un produit de fission).

Les chercheurs en déduisent la durée de demi-vie de l'état fondamental de ²⁵⁰No (3,8 ± 0,3 μs) et celle, plus longue, de son état isomérique (34,9 – 3,2 + 3,9 μs).

Cette « anomalie » suggère que l'existence de l'état isomérique oppose un obstacle à la fission de l'état fondamental de ²⁵⁰No, contribuant ainsi à la stabilité du noyau. Ce phénomène a également des conséquences importantes pour les modèles de structure nucléaire visant à déterminer les limites de l'îlot de stabilité des éléments super-lourds.

Où se termine le tableau périodique ? Les physiciens ne le savent pas encore mais pourraient bien apporter prochainement une réponse à cette question…

(c)Jyväskylä