Nouvelle valeur pour la demi-vie du samarium-146

Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI et de l’Université nationale australienne ont déterminé avec une grande précision la demi-vie du samarium 146. Le résultat concorde parfaitement avec les données obtenues par les astrophysiciens et les géochimistes à partir d’échantillons extraterrestres. L’étude est publiée aujourd’hui dans Rapports scientifiques.

Le samarium 146 a une demi-vie de 103 millions d’années. Ou 68 millions d’années. Ou peut-être 98 millions d’années ? On ne le savait pas encore précisément, car les chercheurs ont toujours obtenu des résultats contradictoires depuis les premières mesures dans les années 1950.

Pour les astrophysiciens et les géochimistes, il s’agit d’un problème majeur. Ils doivent connaître la demi-vie du samarium 146 aussi précisément que possible pour expliquer la formation des astéroïdes et des planètes et pour dater précisément les roches. Désormais, leur incertitude est levée. Le samarium 146 a une demi-vie de 92 millions d’années, ce qui correspond très bien aux estimations de l’âge des météorites et des roches lunaires.

Le résultat le plus précis à ce jour

Ce résultat a été obtenu par une équipe de chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI de Villigen, en Suisse, et de l’Université nationale australienne de Canberra. « Notre résultat est le plus précis à ce jour », déclare Dorothea Schumann, qui a dirigé l’équipe.

Les évaluateurs qui ont évalué le travail ont également reconnu ce fait : « C’est un article remarquable. C’est comme l’œuf de Colomb », ont-ils écrit. Ils ont notamment souligné que, dans cette publication, toutes les étapes ont été décrites de manière compréhensible et que le résultat est donc entièrement traçable. « Je suis impressionné par la documentation détaillée et la quantification des éventuels artefacts », ont déclaré les évaluateurs.

Il y a de bonnes raisons à cela. En 2012, une équipe composée de Japonais, d’Israël et des États-Unis a publié une valeur étonnamment basse pour la demi-vie du samarium 146 : 68 millions d’années, avec une incertitude de 7 millions d’années. Cette découverte a provoqué la consternation des géoscientifiques du monde entier, car cette valeur ne correspondait ni aux expériences plus anciennes ni aux données de mesure des météorites utilisées pour dater la formation de notre système solaire.

Comme personne ne pouvait déterminer avec certitude lequel des résultats était le plus correct, une équipe d’experts a recommandé d’utiliser cette nouvelle valeur et la valeur précédemment établie en parallèle, une situation intenable pour les chercheurs. Pour les roches lunaires, par exemple, cela entraînerait des différences de 90 millions d’années, ce qui correspond à environ 35 % de leur âge de formation.

Puis le soulagement est venu en 2023 : les auteurs de la publication de 2012 ont identifié une incohérence dans l’une des étapes lors de la préparation de l’échantillon et ont par conséquent retiré leur article.

Un problème reporté

Mais le problème n’a été que repoussé. Les géoscientifiques avaient encore besoin d’une valeur plus précise pour la demi-vie du samarium-146 et de certains autres radionucléides qui jouent un rôle important dans la datation de la formation des planètes. Tous ces radioisotopes ont en commun une demi-vie de plusieurs millions d’années. C’est le temps qu’il faut pour que la moitié de la matière radioactive se désintègre.

Le samarium 146 est un émetteur alpha pur ; l’atome émet un noyau d’hélium et se désintègre en néodyme 142. Comme on ne peut évidemment pas attendre des millions d’années pour qu’une quantité importante d’un matériau se désintègre, d’autres méthodes sont nécessaires pour produire des résultats plus rapidement.

En théorie, c’est assez simple. Pour déterminer la demi-vie d’un isotope radioactif, il suffit de déterminer le nombre d’atomes dans l’échantillon ainsi que l’activité, c’est-à-dire le taux de désintégration. Le quotient donne alors la demi-vie à un facteur constant près, le logarithme naturel de 2.

« Seulement » est ici un mot très optimiste, car le chemin pour déterminer exactement les deux valeurs est compliqué et semé d’embûches expérimentales. Mais l’équipe a trouvé des solutions à tous ces défis.

L’expérience a été divisée en trois parties. Il s’agissait tout d’abord d’extraire une quantité suffisante de l’isotope samarium-146, qui n’existe pas naturellement sur Terre. Pour cela, des échantillons de tantale irradiés à la source suisse de neutrons de spallation SINQ du PSI se sont révélés être le matériau le plus adapté.

Après une série de séparations chimiques hautement sélectives, une solution extrêmement pure d’un composé de samarium a été obtenue pour produire un échantillon très fin pour la mesure de l’activité. Une partie de la solution a été déposée sur un film de carbone de seulement 75 micromètres d’épaisseur.

Deuxièmement, il s’agissait de mesurer l’activité : l’échantillon de samarium soigneusement préparé a été placé à une distance bien définie d’un détecteur de rayonnement alpha. Le film de samarium ne mesurait qu’une fraction de micromètre et ne pouvait donc pas arrêter les particules alpha. En déterminant l’énergie, les chercheurs ont également pu déterminer si une particule alpha provenait ou non de la désintégration du samarium-146.

L’appareil avait été étalonné avec un échantillon très précis d’américium 241 produit par la Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB de Brunswick. En raison de la quantité infime de samarium 146 (même un grain de sucre glace pèse 10 fois plus), l’équipe a dû effectuer des mesures pendant trois mois pour déterminer l’activité avec suffisamment de précision ; le taux était de près de 54 désintégrations par heure.

Troisièmement, il s’agissait de déterminer le nombre d’atomes : ici, la solution de samarium a été examinée pour sa composition à l’aide de divers spectromètres de masse au PSI et à l’Université nationale australienne en comptant le nombre d’atomes de samarium-146 ainsi que tous les autres isotopes de samarium présents dans l’échantillon.

Après avoir ajouté des quantités supplémentaires de samarium naturel, qui ne contient pas de samarium-146, la quantité totale de tous les isotopes de samarium et également de samarium-146 a pu être déterminée avec précision. Comme le mélange contenait également un isotope artificiel supplémentaire de samarium qui émet un rayonnement gamma, les chercheurs ont pu déduire combien d’atomes de samarium-146 ont été déposés sur la fine feuille : exactement 6,28 fois 10¹³ atomes ou seulement 0,000018 milligramme d’oxyde de samarium (¹⁴⁶Petit₂O₃).

De plus, l’équipe a pu non seulement affirmer la grande pureté de l’échantillon, mais aussi le prouver par des mesures supplémentaires. « C’est la spécialité de notre laboratoire au PSI, et les examinateurs de notre publication l’ont particulièrement souligné », explique Rugard Dressler du Laboratoire de radiochimie.

Une fois tous ces défis expérimentaux surmontés, le reste était affaire de calculette. Le résultat pour la demi-vie du samarium-146 est de 92,0 ± 2,6 millions d’années.

Uniquement possible au PSI

Ces mesures ont été rendues entièrement et exclusivement possibles grâce à l’initiative ERAWAST (Exotic Radionuclides from Accelerator Waste for Science and Technology), un projet à long terme qui réutilise les déchets radioactifs des accélérateurs du PSI à des fins de recherche.

Dans l’accélérateur de protons du PSI et dans la source suisse de neutrons de spallation SINQ, de nombreux isotopes radioactifs sont produits lors de diverses réactions nucléaires. La plupart d’entre eux ne causent de graves problèmes que par leur désintégration radioactive et sont donc classés comme déchets radioactifs. Mais certains d’entre eux sont extrêmement rares et très recherchés en recherche fondamentale.

Les chercheurs du groupe Chimie des isotopes et des cibles du Laboratoire de radiochimie du PSI, dirigé par Schumann – chef de projet, initiateur de l’initiative ERAWAST et également co-auteur de l’article sur le samarium – ont développé au cours des 15 dernières années des techniques permettant de séparer chimiquement de nombreux isotopes d’intérêt des déchets et de produire des échantillons de haute pureté.

« C’est seulement de cette manière qu’il a été possible d’obtenir une quantité suffisante de samarium-146 pour la détermination précise de sa demi-vie, une possibilité qui n’est disponible nulle part ailleurs dans le monde », explique Zeynep Talip, qui dirige désormais le groupe de recherche et est également co-auteur de l’article sur le samarium.

Pour Dressler, les travaux sur le samarium 146 sont terminés. Pour d’autres, ils ne font que commencer. « Il n’existe pas de valeur définitive pour la demi-vie du samarium 146, souligne le physicien du Laboratoire de radiochimie du PSI. Notre résultat est très précis, mais il doit maintenant être confirmé et, si possible, amélioré par d’autres groupes. »