Découverte de la radioactivité naturelle du bismuth

- communiqué de presse

Mercredi, 23 avril 2003

Une équipe de l'Institut d'Astrophysique Spatiale d'Orsay (IAS; CNRS - Université Paris XI) vient de détecter la désintégration de l'isotope 209 du bismuth. Celui-ci était considéré comme le plus lourd des isotopes stables. C'est avec un nouveau type de détecteur, un bolomètre scintillant en germanate de bismuth, que les chercheurs ont réalisé cette première. Ce type d'instrument de mesure est destiné à la mise en évidence des particules énigmatiques qui pourraient être l'une des composantes de la matière noire de l'Univers.

Dès les années 1940, les mesures de masse atomique et les schémas nucléaires établissaient que l'isotope(1) 209 du bismuth souffrait d'une légère surcharge pondérale. Seul représentant naturellement abondant du bismuth, l'isotope 209 aurait pourtant dû se transmuter en isotope 205 de l'élément thallium, après avoir rejeté un noyau d'hélium (constitué de deux protons et deux neutrons) lors d'une désintégration dite de type «alpha». L'énergie récupérée lors de cette cure d'amaigrissement est parfaitement calculable et s'élève à 3137 keV (kiloélectronVolt). Si les expériences menées depuis plus de cinquante ans pour observer cette désintégration ont toutes échoué, elles ont cependant permis de conclure à sa rareté : la durée de vie devait être supérieure à 2.1018ans ! Une durée de vie si longue que les tables récentes donnaient définitivement l'isotope 209 du bismuth comme stable.

L'équipe de l'IAS, qui vient d'annoncer l'observation de sa désintégration, est engagée dans un programme visant à la détection directe de la matière noire de l'Univers, une des énigmes majeures de la cosmologie, sous la forme de particules "supersymétriques" baptisées neutralinos. En collaboration avec une équipe de l'Université de Saragosse, elle a installé en 1999 l'expérience ROSEBUD dans le tunnel du Somport, le long de l'ancienne liaison ferroviaire Pau-Canfranc (Pyrénées). Les détecteurs utilisés pour atteindre cet objectif sont des bolomètres(2).

Bolomètre scintillant de 91g en germanate de bismuth "BGO" et son détecteur optique. Ces détecteurs viennent de réaliser les premiers enregistrements de la désintégration naturelle du bismuth avec une durée de vie de 1,9 1019ans. © Photo : Jacques de Marcillac. IAS. CNRS. Comme la plupart des groupes engagés dans ce type de détection, l'équipe de l'IAS s'est investie dans une phase de recherche et développement devant conduire à la conception de nouveaux détecteurs capables de discriminer les particules entre elles selon leur nature. Des prototypes de bolomètres scintillants en germanate de bismuth ("BGO", de formule chimique Bi4Ge3O12) et en tungstate de calcium (CaWO4) de près de 50 grammes sont testés depuis deux ans au Canfranc et à l'IAS. Dans cette technique, un couple de bolomètres est enfermé dans une cavité réfléchissante. L'un, massif, constitue la cible proprement dite des futures expériences et scintille en réponse à des événements ionisants, tandis que l'autre, un fin disque de Germanium, absorbe et mesure les photons émis par le premier. La cible est refroidie à très basse température à 20 millikelvins, soit près de -273,13°C.

Dans la nuit du 14 au 15 mars 2002, lors d'une expérience de calibration du fond dans un bolomètre de 46 grammes en BGO, les mesures effectuées à l'IAS ont révélé l'existence d'une "raie inconnue", associée à une désintégration alpha, à près de 3200 keV. Au petit matin, on relevait ainsi 7 désintégrations ayant ces caractéristiques sur l'écran de contrôle. Après avoir vérifié qu'il ne s'agissait pas d'un artefact électrique, les recherches bibliographiques ont montré qu'il s'agissait très probablement de la désintégration de l'isotope 209 du bismuth. Cette hypothèse a été validée par la suite sans ambiguïté après avoir été soumise à de nombreux tests.

La durée de vie rapportée de l'isotope 209Bi est de 1,9.1019 ans -soit environ un milliard de fois l'âge actuel estimé de l'Univers ! L'énergie de la désintégration déterminée est mesurée précisément à 3137 keV. Ces deux caractéristiques de la désintégration sont en parfait accord avec les prévisions théoriques, remises à jour à la lumière des tables de masse et d'énergie les plus récentes.

Cette détection relativement aisée, en laboratoire, de la désintégration d'un isotope réputé stable jusqu'ici est la démonstration incontestable de la puissance de la technique associée : les bolomètres scintillants refroidis à très basse température seront vraisemblablement amenés à jouer un rôle de premier plan dans la détection d'événements rares, de réactions nucléaires très improbables, ou dans la recherche de traces infimes de radioactivité...

Note(s): 
  1. Deux isotopes d'un même élément diffèrent par leur nombre de neutrons N. Leur nombre de protons (Z) et d'électrons est par contre identique: ils sont indiscernables chimiquement, et occupent donc la même place (d'où le nom d'isotope) dans la classification périodique des éléments de Mendeleïev. En dehors de l'isotope 209 du bismuth (Z=83; N=126), on connaît 32 autres isotopes du bismuth, ayant des durées de vie comprises entre 50 microsecondes et 3 millions d'années, qui se manifestent "furtivement" lors de réactions nucléaires. Ces durées de vie sont bien trop courtes devant l'âge de l'Univers pour que ces isotopes aient pu subsister en quantité mesurable.
  2. bolomètre (éthymologie: du grec bolê: radiation, jet; metron: mesure): le bolomètre peut être décrit très schématiquement comme l'assemblage d'un cristal massif, absorbant le rayonnement à mesurer avec un thermomètre qui lui est collé dessus. L'ensemble est extrêmement sensible lorsqu'il est refroidi à très basse température. Les données issues du thermomètre permettent alors de suivre l'histoire énergétique de tous les événements qui parcourent le cristal.
Source(s): 

"Experimental detection of a–particles from the radioactive decay of natural bismuth" Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc & Jean-Pierre Moalic (Nature, 24 avril 2003)

La reprise des actualités du site est autorisée avec la mention "Source : Actualités du CNRS-INSU" et un lien pointant sur la page correspondante.