Comment les plus grand atomes sont découverts et étudiés un par un

Un nouvel accélérateur de particules est en cours de construction à Darmstadt (D). Dès 2032, il permettra de rechercher d’autres éléments lourds et, espérons-le, d’en découvrir. | Photo: Maximilian Mann / Laif / Keystone

Patrick Steinegger recherche les atomes les plus mystérieux, les plus lourds et les plus fragiles qui soient: ceux qui se trouvent à la fin du tableau périodique. L’oganesson, qui occupe la 118e place, en fait partie. «C’est l’élément le plus rare sur la Terre», explique le chimiste de l’Institut Paul Scherrer (PSI) et de l’ETH Zurich. Seuls quatre atomes ont été mis en évidence depuis sa découverte il y a vingt ans. «En réalité, nous ignorons tout de ses propriétés chimiques.»

Bon nombre de ces atomes présentant les numéros atomiques les plus élevés du tableau périodique – c’est-à-dire ceux dont le noyau contient de nombreux protons – disparaissent après leur création, avant même qu’on ait pu les étudier. Des scientifiques comme Patrick Steinegger veulent y remédier, en étudiant le comportement de ces atomes éphémères. L’oganesson est-il correctement placé dans le tableau périodique? S’agit-il vraiment d’un gaz noble comme l’hélium ou le radon? Le chimiste travaille aux limites du mesurable. «L’étude de tels éléments superlourds constitue la méthode analytique la plus sensible au monde.» C’est en quelque sorte de la chimie atome par atome.

Les chimistes doivent toutefois d’abord arriver à créer un tel atome. Tous les éléments superlourds sont produits artificiellement dans des accélérateurs. On y projette des ions, comme ceux du calcium, sur de fines feuilles recouvertes, par exemple, de plutonium. Mais la fusion se produit rarement. Plus l’élément est lourd, plus sa formation est improbable et plus vite il se désintègre. Cette discipline compte une centaine de scientifiques à travers le monde. Ils se concentrent actuellement sur les éléments 105 à 118.

Après la création débute la chimie

Patrick Steinegger s’intéresse principalement au 113, le nihonium. «Il faut que les atomes vivent une fraction de seconde pour nos expériences», explique-t-il. L’impossibilité de produire des éléments superlourds au PSI oblige le chercheur à emballer ses détecteurs dans des caisses pour les faire suivre dans les rares installations au monde capables d’une telle chose. Longtemps, il s’est d’abord rendu à Doubna, en Russie, où l’oganesson a été découvert en 2006. Désormais, il travaille à Berkeley en Californie, à Tokyo au Japon ou à Lanzhou en Chine. «Nous emportons chaque vis, précise-t-il. Chaque pays a ses propres normes en la matière.»

Dès qu’un atome superlourd est formé, la chimie proprement dite commence: il faut l’isoler des sous-produits, puis le ralentir dans un gaz avant de le faire passer sur une surface en dioxyde de silicium ou en or. «C’est un travail de précision.» La désintégration des éléments superlourds est enregistrée. La température à laquelle ils se déposent à la surface permet de calculer l’énergie de liaison, à partir de laquelle le chimiste peut déterminer s’il a détecté un gaz noble ou une liaison métallique, par exemple.

Les éléments se désintègrent en moins d’une milliseconde

Le problème est que les trois éléments les plus lourds connus se désintègrent avant d’atteindre le détecteur d’une expérience chimique. L’oganesson, par exemple, ne survit pas plus d’une milliseconde. D’où la nécessité de trouver des approches plus rapides. «Il faut en principe mettre au point une expérience spécifique pour chaque élément», note Patrick Steinegger. De nombreuses questions restent en suspens. L’oganesson semble se comporter comme un gaz noble. Mais des calculs théoriques suggèrent que sa charge nucléaire élevée le rendrait beaucoup plus réactif que ses homologues plus légers. Il pourrait même ne pas s’agir d’un gaz.

Le célèbre «îlot de stabilité» illustre aussi la difficulté de faire des prévisions. Depuis des décennies, les scientifiques souhaitent produire des éléments à durée de vie très longue situés quelque part entre 114 et 126. «Nous avons atteint son rivage, mais nous ignorons sa taille», dit Christoph Düllmann, du Centre Helmholtz de recherche sur les ions lourds à Darmstadt. Ce centre prévoit la mise en service d’un nouvel accélérateur en 2032.

«La découverte d’un nouvel élément promet également de faire parler d’elle», note Christoph Düllmann. Cela renforce à son tour la concurrence, selon lui. Il se dit fasciné par ce travail, car il se situe à la limite du tableau périodique, à la frontière du possible. Existe-t-il vraiment une limite absolue à la masse d'un atome? L'élément 173 serait cité souvent. Il reste donc encore suffisamment de travail pour les générations futures, estime-t-il en riant.