Published November 1, 2011 | Version v1
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ISOLDE experiment explores new territory in nuclear fission

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An international collaboration led by the University of Leuven, Belgium, exploiting ISOLDE’s radioactive beams, has recently discovered an unexpected new type of asymmetric nuclear fission, which challenges current theories. The surprising result opens the way for new nuclear structure models and further theories to elucidate the question.

 

Resonance Ionization Laser Ion Source (RILIS) in action at ISOLDE. RILIS was instrumental in providing the pure beam necessary for the successful nuclear fission experiment.

In nuclear fission, the nucleus splits into two fragments (daughter nuclei), releasing a huge amount of energy. Nuclear fission is exploited in power plants to produce energy. From the fundamental research point of view, fission is not yet fully understood decades after its discovery and its properties can still surprise nuclear physicists.

The way the process occurs can tell us a lot about the internal structure of the nucleus and the interactions taking place inside the complex nuclear structure. In particular, processes in which fission is observed at an energy just above the minimum required are the most likely to tell us which quantum corrections should be applied to the liquid-drop model (classical description) to fully understand nuclear behaviour.

At ISOLDE, an international collaboration involving scientists from nine countries has been studying the 180Tl isotope. Via radioactive decay, the thallium isotope transforms into the 180 isotope of mercury (180Hg), which subsequently fissions. “According to previous experiments and related theoretical models, we were expecting a symmetric mass distribution of the fission fragments,” says A. N. Andreyev, the principal investigator from the KU Leuven team (presently working at the University of the West of Scotland). “However, we measured an asymmetric mass distribution of the fission fragments. This discrepancy is leading us to rethink our theories on the interplay between the macroscopic liquid-drop model and the microscopic single-particle shell corrections to apply in the description of these nuclei.”

The result follows other attempts to understand similar fission processes that were made about 20 years ago by scientists in Dubna. “Previous experiments had to deal with huge amounts of contaminants in the samples of the parent element. Using ISOLDE’s unique laser ion source that makes it possible to selectively ionize elements, we can obtain a high-purity sample of 180Tl (T1/2=1.1 s). This allows us to determine with an unprecedented accuracy the different branching ratios of the various decays,” explains Andreyev.

The unexpected result of ISOLDE’s experiment will stimulate the development of new theoretical approaches to the fission process. “We have worked on a new description of the internal structure of the Hg nucleus, which is able to predict the asymmetric mass splits that we have observed. Further experiments and new theories are needed to elucidate the dynamics of the fission processes, at least for nuclei located in the region around thallium in the nuclei chart," concludes Mark Huyse, another member of the team from KU Leuven.

Other (French)

Une collaboration internationale dirigée par l’Université de Louvain (K.U.Leuven, Belgique) a récemment découvert, en exploitant les faisceaux radioactifs d’ISOLDE, un nouveau type inattendu de fission nucléaire asymétrique qui bouleverse les théories actuelles. Ce résultat surprenant ouvre la voie à de nouveaux modèles de structure nucléaire et à d’autres théories afin d’élucider ce phénomène.

 

La source d'ions laser à ionisation résonante (RILIS) en action à ISOLDE. RILIS a contribué à fournir le faisceau pur nécessaire à la réussite de l'expérience de fission nucléaire.

Lors de la fission nucléaire, le noyau se scinde en deux noyaux plus petits, un noyau père et un noyau fils, en dégageant une énorme quantité d’énergie. La fission est utilisée dans les centrales nucléaires pour produire de l’électricité. Plusieurs décennies après sa découverte, la fission nucléaire n’est pas encore entièrement comprise sur le plan de la recherche fondamentale et ses propriétés n’ont pas fini d’étonner les physiciens nucléaires.

Le processus de fission en dit beaucoup sur la structure interne et complexe du noyau et sur les interactions qui y ont lieu. En particulier, c’est dans les processus où la fission est observée à une énergie juste au-dessus du niveau minimum requis que l’on aura le plus de chances de savoir quels effets quantiques doivent être introduits dans le « modèle de la goutte liquide » (modèle nucléaire classique) afin de comprendre clairement le comportement du noyau.

ISOLDE, une collaboration internationale composée de scientifiques de neuf pays différents, étudie l’isotope 180 du thallium (Tl180). Par désintégration radioactive, le Tl180 devient l’isotope 180 du mercure (Hg180), qui se scinde à son tour. « D’après les expériences passées et les modèles théoriques associés, nous nous attendions à observer une distribution de masse symétrique des fragments de fission, indique A.N. Andreïev, le chercheur principal de l’équipe de la K.U.Leuven (travaillant actuellement à la University of the West of Scotland). Or, nous avons mesuré une distribution asymétrique. Cette divergence nous oblige à reconsidérer nos théories sur l’interaction entre le modèle de la goutte liquide (macroscopique) et les corrections qui sont apportées à ce modèle sur la base du modèle en couches et à particules indépendantes (microscopique) et qui doivent être appliquées à la description de ces noyaux ».

Ce résultat est obtenu à la suite de premières tentatives réalisées il y a une vingtaine d’années par des scientifiques à Doubna pour comprendre des processus de fission similaires. « Dans les expériences précédentes, on devait faire face à de grandes quantités de contaminants dans les échantillons du noyau père. Grâce à la source d’ions laser d’ISOLDE, qui permet d’ioniser des éléments de façon sélective, nous pouvons obtenir un échantillon de thallium-180 d’une très grande pureté (T1/2=1,1 s.). Nous avons alors pu déterminer avec une précision sans précédent les différents rapports d’embranchement des diverses désintégrations », explique A.N. Adreïev.

Les résultats inattendus de l’expérience ISOLDE encourageront l’élaboration de nouvelles approches théoriques du processus de fission nucléaire. « Nous avons travaillé sur une nouvelle description de la structure interne du noyau du mercure, qui permet de prédire la distribution de masse asymétrique que nous avons observée. D’autres expériences et de nouvelles théories seront nécessaires pour mieux comprendre la dynamique des processus de fission, au moins pour les noyaux situés dans la région du thallium dans le diagramme des nucléides », conclut Mark Huyse, un autre membre de l’équipe de la K.U.Leuven.

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