Une équipe de recherche de l'Institut de physique moderne de l'Académie des sciences de Chine, en collaboration avec l'Université des sciences et technologies de Chine, est parvenue à détecter directement l'argon-42, un isotope radioactif extrêmement rare présent dans l'atmosphère. L'abondance isotopique de l'argon-42 dans l'atmosphère est de l'ordre de 10⁻²¹. Cette réalisation a amélioré la sensibilité de détection de 4 à 5 ordres de grandeur, offrant une nouvelle méthode pour la mesure des isotopes à très faible abondance. Les résultats ont été publiés le 14 avril dans la revue Nature-Physics.
L'argon-42 est produit par l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère et a une demi-vie de 33 ans. Ses produits de désintégration pourraient affecter la précision des expériences sur la matière noire et la double désintégration bêta. Les méthodes de mesure traditionnelles, telles que le comptage de désintégration dans les détecteurs à argon liquide et la spectrométrie de masse par accélérateur, présentent des limitations et ne permettent pas de mesurer directement l'argon-42, dont l'abondance est extrêmement faible dans l'atmosphère.
L'équipe de l'Université des sciences et technologies de Chine a utilisé la technique d'analyse par piégeage d'atomes, permettant la détection d'un seul atome d'argon-42. Cette technique utilise le refroidissement par laser résonant et le piégeage des atomes cibles, en comptant les atomes par imagerie de fluorescence, ce qui offre une grande sélectivité et sensibilité. Le spectromètre de masse électromagnétique à fort courant développé par l'Institut de physique moderne a pré-enrichi l'argon-42, augmentant son abondance de plus de 700 fois, améliorant ainsi l'efficacité de la détection. En 43 jours, l'équipe a observé 204 atomes d'argon-42 et mesuré une abondance isotopique de l'argon-42 dans l'atmosphère de (6,1 ± 0,5) × 10⁻²¹.
La technique d'analyse par piégeage d'atomes a déjà été appliquée à la datation des glaciers et au traçage de l'âge des eaux souterraines. La technique de séparation électromagnétique de haute précision de l'Institut de physique moderne a un potentiel d'application dans la recherche sur les isotopes stables. Cette collaboration a élargi le champ de détection de cette technique, qui pourra à l'avenir être utilisée pour la mesure d'isotopes encore plus rares, soutenant ainsi la recherche en physique fondamentale et en sciences de l'environnement.
Les premiers co-auteurs de l'article sont le Dr Wan Zhaofeng et Liang Jiawei de l'Université des sciences et technologies de Chine, et l'ingénieur Jia Zehua de l'Institut de physique moderne en est le troisième auteur. La recherche a été soutenue par le Programme national des grands projets scientifiques et technologiques, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, entre autres.