Observation d’un nouveau phénomène de radioactivité

Au cours d’une désintégration radioactive, le noyau atomique à l’état de base stimulé énergétiquement émet spontanément un rayonnement ionisant, souvent une particule ou un photon. Il est très rare qu’il libère exactement au même moment deux particules identiques ou deux photons. Jusqu’à présent, cela n’avait été observé que pour la double désintégration bêta, au cours de laquelle sont émis en même temps deux électrons et deux antineutrinos ou leurs antiparticules.

Maria Göppert-Mayer, lauréate du prix Nobel, avait formulé l’hypothèse d’un processus similaire avec deux photons gamma à haute teneur énergétique dès 1930. Mais les physiciens nucléaires n’avaient jusqu’à présent réussi à mettre en évidence une double désintégration gamma que dans trois cas bien précis qui rendaient impossible la désintégration gamma simple selon les règles de sélection de la mécanique quantique. Ce phénomène n’avait encore jamais été observé lorsque la désintégration gamma simple était possible. Une équipe dirigée par le privat-docent Heiko Scheit et les professeurs Norbert Pietralla et Thomas Aumann de l’Institut de physique nucléaire de Darmstadt a cependant réussi à observer ce phénomène radioactif extrêmement rare.

Les obstacles

«Toutes les tentatives entreprises depuis les années 1980 pour observer une double désintégration gamma lorsque la désintégration gamma simple traditionnelle est possible avaient échoué», explique le professeur Norbert Pietralla. Certes, il existe des appareils qui n’enregistrent les photons que lorsqu’ils sont émis simultanément. Mais étant donné qu’un très grand nombre de noyaux atomiques se désintégraient simultanément dans les échantillons analysés, le phénomène recherché, à savoir que les photons jumeaux proviennent du même noyau, passait inaperçu. Il peut également arriver qu’un photon qui se déplace à la vitesse de la lumière soit enregistré par deux détecteurs en moins d’un milliardième de seconde en raison de sa vitesse élevée, et soit ainsi pris pour des photons jumeaux.

La solution: de nouveaux détecteurs

Les scientifiques de l’Université de Darmstadt ont résolu les deux problèmes grâce à des détecteurs de rayonnement gamma dernier cri financés par la Deutsche Forschungsgemeinschaft. Ces appareils présentent la particularité de ne pas seulement pouvoir calculer avec précision l’énergie d’un photon, mais également d’identifier les décalages de quelques centaines de picosecondes.

Le collaborateur de Pietrallas, Christopher Walz, et ses collègues, ont mis au point un anneau composé de plusieurs de ces détecteurs, au centre duquel ils ont placé une substance qui émet un rayonnement gamma d’une énergie précise. Les détecteurs se déclenchent lorsque deux photons présentant ensemble l’énergie du saut cantique sont captés dans un intervalle de quelques nanosecondes. Etant donné que ce laps de temps est inférieur au temps nécessaire à un photon dispersé pour passer d’un détecteur à un autre à la vitesse de la lumière, les physiciens ont pu exclure qu’il s’agissait d’un artéfact. C’est ainsi qu’ils ont observé les photons jumeaux, qui apparaissent environ une fois sur un million de désintégration gamma.