L’uranium, dont le noyau atomique contient 92 protons, est le dernier élément du tableau périodique qui existe à l’état naturel. Les éléments possédant plus de protons sont instables, et sont observés que dans des réacteurs nucléaires ou des accélérateurs à la suite de processus de fusion de noyaux. Depuis les années 1940, il existe une compétition entre les États-Unis, la Russie, l’Allemagne et plus récemment le Japon pour créer les éléments les plus lourds. Ainsi, les éléments 93 à 103 ont été découverts par les Américains, de 104 à 106 par les Américains et les Russes, de 107 à 112 par les Allemands. Les éléments 114 et 116, synthétisés par une coopération entre Russes et Américains et confirmés en Allemagne, ont été nommés flerovium et livermorium en mai 2012. Les éléments 113, 115, 117 et 118 ont été détectés, mais ils doivent être confirmés pour recevoir un nom officiel. Le 12 août 2012, une équipe japonaise du Centre Nishina du RIKEN a observé une réaction dans laquelle l’élément 113 a été produit sans ambiguïté.

La même équipe japonaise aurait déjà observé l'élément 113 lors de collisions de noyaux, une fois en 2004 et une autre en 2005. Un autre groupe, de l’Institut de physique nucléaire de Dubna, à laquelle participent des Russes et des Américains, aurait également détecté l’élément 113 en 2004. Quelle est donc l’importance de la nouvelle mesure ? L’observation et la découverte d’un élément nécessitent la validation par une commission internationale d’experts indépendants, qui étudient en détail le mode de détection du noyau atomique. La confirmation par le groupe d’experts donne le droit au laboratoire concerné de choisir le nom de l’élément. Dans ce contexte très strict, les observations de 2004 et 2005 n’avaient pas été validées.

Un élément lourd est obtenu par fusion d’éléments plus légers. Ainsi, au RIKEN, les physiciens ont bombardé une mince couche de bismuth avec un faisceau de noyaux de zinc ayant une énergie moyenne de 350 mégaélectronvolts. Une réaction de fusion d’un noyau de bismuth (83 protons) avec un noyau de zinc (30 protons) peut former l’élément 113. Celui-ci est très instable et se désintégre rapidement en émettant une particule alpha – un noyau d’hélium, soit deux protons et deux neutrons. Le nouveau noyau se désintègre à son tour en émettant une particule alpha, et ainsi de suite ; on obtient une chaîne de désintégration jusqu’à ce qu’un noyau fissionne en donnant naissance à deux noyaux plus petits. L’énergie des particules alpha émises est mesurée par des détecteurs au silicium. L’intervalle de temps entre l'émission des particules alpha permet de déterminer la durée de vie de chaque élément instable de la chaîne. Les physiciens reconstituent ainsi la chaîne de désintégration. Cependant, cette reconstitution est soumise à de grandes incertitudes. Si les derniers éléments de la chaîne procèdent de réactions bien connues, l’étude du processus complet est plus fiable. C’est l’un des critères qu’étudie la commission de validation.

En 2004 et 2005, les physiciens avaient observé deux événements correspondant à la production de l’élément 113 et sa chaîne de désintégration avec quatre émissions de particules alpha se terminant sur le dubnium 262, qui a spontanément fissionné. Ce dernier n’était pas bien connu à l’époque, si bien que la confirmation de l’élément 113 ne fut pas accordée à l’équipe japonaise. L’équipe américano-russe a utilisé une réaction différente : une collision de noyaux de calcium sur de l’américium, qui produit l’élément 115 et, via sa chaîne de désintégration, l’élément 113. La réaction de production de l’élément 113 est 300 à 500 fois plus probable que celle étudiée par l’équipe japonaise, mais l’équipe de Dubna devait aussi caractériser un isotope mal connu du dubnium, ce qui n’a pas permis son homologation.

Dans l’expérience au RIKEN, la probabilité que la fusion du zinc et du bismuth donne l’élément 113 était estimée à entre trois et six noyaux produits pour 1020 noyaux de zinc bombardant la couche de bismuth. Cette valeur très faible explique pourquoi la production est rare : il a fallu 553 jours de bombardement pour obtenir trois événements au total ! La nouvelle détection se distingue des précédentes. Cette fois, la chaîne de désintégration a produit un noyau de dubnium, qui n’a pas fissionné, mais a émis une particule alpha pour se transformer en lawrencium, qui à son tour a donné du mendélévium. La chaîne de six désintégrations alpha se termine sur ces éléments bien connus, identifiés en 2000 et confirmés en 2009, ce qui permet d’être optimiste quant à la validation de la découverte par la commission.

Le nom de japonium est évoqué ; il s’agirait en effet du premier noyau découvert en Asie de l’Est. Néanmoins, l’équipe de Dubna n’a pas dit son dernier mot et a aussi publié un article cette année sur l’étude de l’élément 113. La commission d’experts devra trancher.

Animation de la création de l’élément 113 et la détection des particules alpha. Crédit : K. Morita et al.