La spectroscopie laser révèle pour la première fois avec précision la forme du noyau du fermium-255, offrant de nouveaux indices pour la recherche d'éléments superlourds

Une équipe scientifique internationale a déterminé pour la première fois avec une haute précision la structure nucléaire du fermium-255, un élément actinide, confirmant que son noyau présente une forme nettement allongée de type ellipsoïde prolate, semblable à un ballon de rugby. Cette étude, publiée dans *Physical Review Letters*, a été réalisée en collaboration par 18 institutions, dont l'Université Johannes Gutenberg de Mayence en Allemagne, l'Institut Helmholtz de Mayence et l'Université de Göteborg en Suède. Les résultats corrigent non seulement certaines valeurs de propriétés nucléaires jugées incohérentes dans les tables de données standard précédentes, mais fournissent également une validation expérimentale clé pour les modèles théoriques modernes du noyau atomique.

Le fermium est un élément lourd synthétique qui n'existe pas dans la nature ; le fermium-255 contient 100 protons et 155 neutrons, et son obtention expérimentale est extrêmement difficile. L'équipe de recherche a suivi une voie de production complexe s'étendant sur plusieurs années et impliquant plusieurs installations : d'abord, des matériaux transuraniens ont été soumis à une irradiation neutronique de plusieurs mois dans le réacteur à haut flux isotopique du Laboratoire national d'Oak Ridge aux États-Unis, produisant de l'einsteinium-254 ; le matériau a ensuite été expédié en Allemagne pour traitement à Mayence, puis transféré à l'Institut Laue-Langevin en France pour une irradiation supplémentaire afin de préparer de l'einsteinium-255. L'einsteinium-255, avec une demi-vie d'environ 40 jours, se désintègre continuellement pour produire du fermium-255, fournissant ainsi une source d'échantillons pour les expériences ultérieures.

Sur le séparateur de masse RISIKO de l'Université de Mayence, les chercheurs ont chauffé une quantité infime d'échantillon de fermium à environ 1 000 degrés Celsius pour évaporer les atomes, puis ont utilisé un système laser à saphir dopé au titane sur mesure pour irradier et ajuster la fréquence, réalisant une excitation sélective et une détection par ionisation. En analysant la structure hyperfine de deux transitions optiques, l'équipe a déduit la forme et les propriétés magnétiques du noyau à partir des infimes décalages des niveaux d'énergie électroniques. Étant donné que les électrons internes sont proches du noyau, leurs variations de niveaux d'énergie sont influencées par la taille, la déformation et le moment magnétique du noyau ; la spectroscopie laser à haute précision constitue donc un outil essentiel pour l'étude des noyaux lourds rares.

L'étude montre que le noyau du fermium-255 n'est pas proche d'une forme sphérique, mais présente une structure de déformation allongée fortement étirée. Combinées aux calculs théoriques atomiques avancés de l'Université Jagellonne de Pologne et des institutions associées de Mayence, les données expérimentales ont également fourni une nouvelle valeur du moment dipolaire magnétique, qui diffère des anciennes valeurs des tables de référence couramment utilisées. Les modèles nucléaires théoriques modernes développés par le CEA Arpajon en France, l'IP2I Lyon et l'Université technique de Darmstadt en Allemagne expliquent bien ces nouvelles mesures, indiquant que les descriptions théoriques actuelles de la déformation et des interactions des noyaux lourds se rapprochent de l'image réelle.

L'importance de ces résultats réside dans le fait qu'ils comblent une lacune dans l'étude des propriétés nucléaires des éléments les plus lourds. La forme des noyaux atomiques lourds est étroitement liée à leur stabilité contre la fission spontanée, qui est le facteur clé limitant la durée de vie des éléments au-delà de l'uranium. Les mesures de précision sur des noyaux lourds à très faible quantité et à courte durée de vie, comme le fermium-255, contribuent à améliorer les modèles de fission nucléaire, à renforcer la capacité de prédiction de la durée de vie et de la stabilité des éléments superlourds inconnus, et fourniront également une base expérimentale plus fiable pour l'exploration future des frontières du tableau périodique.