Les lasers pourraient-ils synthétiser des éléments lourds produits lors des fusions d’étoiles à neutrons ? – Monde de la physique

Les lasers pourraient-ils synthétiser des éléments lourds produits lors des fusions d’étoiles à neutrons ? – Monde de la physique

Horodatage: 19 mars 2024 5:30


Photo de l'intérieur de la chambre cible d'Apollon montrant la parabole hors axe et quelques diagnostics
La campagne expérimentale sur la génération de neutrons à Apollon : L'intérieur de la chambre cible montrant la parabole hors axe et quelques diagnostics. (Avec l'aimable autorisation de Julien Fuchs)

Un processus astrophysique créant des éléments plus lourds que le fer pourrait être encore plus difficile à reproduire en laboratoire qu’on ne le pensait auparavant – mais pas impossible. C'est la conclusion des chercheurs du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) en France, qui rapportent que la reproduction des conditions généralement observées lors des fusions d'étoiles à neutrons nécessitera des améliorations majeures des sources de protons et de neutrons. Cette idée est cruciale, disent-ils, car elle fournit un cadre plus réaliste pour les efforts futurs visant à reproduire les processus stellaires.

De nombreux éléments plus lourds que le fer se forment via ce qu'on appelle r-processus, où r fait référence à une capture rapide de neutrons. Ce processus se produit lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, créant ainsi une abondance de neutrons libres. Dans ces environnements riches en neutrons, les noyaux atomiques capturent les neutrons beaucoup plus rapidement qu’ils ne peuvent les perdre par désintégration bêta (qui se produit lorsqu’un noyau émet un électron ou un positon énergétique, transformant ainsi l’un de ses neutrons en proton).

Les scientifiques croient que le rCe processus est à l’origine d’environ la moitié de tous les éléments lourds présents dans l’univers aujourd’hui. Cependant, les conditions exactes requises pour faciliter une capture rapide des neutrons ne sont pas entièrement comprises. En effet, il est extrêmement difficile de générer les flux de neutrons à très haute densité nécessaires à la création d’isotopes riches en neutrons en laboratoire.

Un système laser multi-pétawatt de nouvelle génération

La bonne nouvelle est que les sources de neutrons (pulsées) pilotées par laser pourraient produire les types de faisceaux de neutrons requis. Dans l'approche développée par Vojtech Horný et collègues du LULI, un tel laser dirigerait d’abord des impulsions lumineuses ultra-intenses vers une cible solide. Cela entraînerait une accélération des ions hydrogène provenant d'une couche de contaminants à la surface de la cible jusqu'à une fraction significative de la vitesse de la lumière, explique Horný. Ces ions hydrogène seraient ensuite dirigés vers une cible secondaire en or qui servirait à la fois de convertisseur de neutrons et de cible de capture de neutrons.

« Contrairement à la méthode traditionnelle qui accélère les deutons [ions hydrogène lourds] pour les réactions de fusion dans un convertisseur à faible numéro atomique (par exemple, un convertisseur en béryllium) pour libérer des neutrons, notre approche s'appuie sur un système laser multi-pétawatt de nouvelle génération pour déclencher un processus de spallation plus efficace dans les matériaux à numéro atomique élevé », explique Horný Monde de la physique. "Ici, des protons accélérés à des énergies de l'ordre de plusieurs centaines de mégaélectronvolts (MeV) frappent un noyau lourd, libérant un nombre plus élevé de neutrons."

Moyens d’améliorer la production de neutrons

Horný dit que le but de cette méthode, décrite dans Examen physique C, est d’augmenter considérablement la production de neutrons. À l’aide de simulations numériques, lui et ses collègues ont calculé que les lasers actuellement disponibles produiraient un nombre négligeable d’isotopes riches en neutrons (définis comme ceux contenant au moins deux neutrons de plus que le noyau initial).

Cependant, un bon comptage isotopique serait néanmoins possible si les neutrons étaient ralentis jusqu'à de très faibles énergies (20 milliélectronvolts, correspondant à la température de l'hydrogène solide). Des vitesses aussi lentes augmenteraient la probabilité que les neutrons soient capturés. Le laser devrait également être pulsé à une fréquence de 100 Hz pendant plusieurs heures.

Ce sont tous des défis de taille, mais Horný n’abandonne pas. "Malgré la triste constatation que les sources actuelles de protons et de neutrons excluent l'observation à court terme du r-processus via des sources de neutrons laser, nos travaux ont jeté des bases importantes », dit-il. Il y a aussi des raisons d’espérer quant au progrès technologique. À titre d'exemple, Horný cite une projet à l'Université d'État du Colorado aux États-Unis, où les chercheurs construisent deux lasers de 200 joules, 100 femtosecondes et 100 Hz. Ce projet, dit-il, « représente une avancée significative ».

Le flux intense de neutrons décrit par l’équipe pourrait avoir d’autres applications, ajoute Horný. Il s'agit notamment de la reconstruction de la composition élémentaire d'un matériau à l'aide de radiographie par résonance neutronique rapide ; activation rapide des neutrons; et la thérapie par neutrons rapides en médecine.

L'équipe LULI se prépare actuellement à fabriquer sa source laser proposée, dans l'espoir d'atteindre des paramètres neutroniques record en utilisant le Système laser Apollon. Horný, pour sa part, a déménagé au Infrastructure de lumière extrême-physique nucléaire (ELI-NP) en Roumanie, où ses travaux en tant que chercheur se concentreront sur l'accélération de l'électron et des ions, ainsi que sur la génération d'un rayonnement de haute énergie à partir d'interactions laser-plasma. Ce nouveau rôle, dit-il, consiste à explorer diverses sources de particules secondaires, notamment les neutrons.

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