Une sphère sur la balance : comment on a capté la désintégration d'un atome express
Une minuscule sphère de verre flotte dans un faisceau laser, comme un grain de poussière dans la lumière du soleil. À l'intérieur, du plomb radioactif se désintègre de temps en temps. Chaque désintégration éjecte des particules chargées, et la sphère perd ou gagne une infime charge électrique.
Les scientifiques ont fait osciller la sphère dans un champ électrique alternatif et, à partir de ces oscillations, ont calculé sa charge mille fois par seconde. Un détecteur placé à proximité captait les particules sortantes. Lorsque le détecteur s'activait, la charge de la sphère changeait par à-coups — de moins que la charge d'un électron. Ainsi, chaque désintégration a pu être associée à une variation de charge.
Il s'est avéré que les désintégrations alpha et bêta éjectent de la sphère des ensembles de charges différents. Les particules alpha, lourdes et rapides, emportent plus de charge, tandis que les particules bêta en emportent moins. De plus, la désintégration alpha du radon, qui naît du plomb, provoque une véritable averse d'électrons lents depuis la surface de la sphère.
Cette méthode ouvre la voie à l'étude des émissions radioactives les plus faibles — une désintégration à la fois. C'est comme si nous apprenions à entendre chaque goutte de pluie frappant la vitre, et non plus seulement le bruit général de l'averse.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.14979
We measure event-by-event discrete changes in the net electric charge of an optically levitated silica microsphere arising from individual radioactive decays within the sphere, in coincidence with energy depositions in a nearby scintillation detector. The net charge of the levitated sphere is continuously monitored by measuring its driven response to an oscillating electric field, allowing individual charge-change events to be resolved on millisecond timescales with precision below an elementary charge. Simultaneously, $$\alpha$$ and $$\beta$$ particles emitted during decays of implanted $$^{212}$$Pb and its daughters are detected using a scintillator read out with an array of silicon photomultipliers. By correlating reconstructed charge-change times with the scintillator response, we can directly attribute abrupt changes in the sphere's net charge to individual nuclear decays, and identify differences in the distribution of charges ejected for $$\alpha$$ and $$\beta$$ decays. These results establish a new approach for studying low energy charged particles emitted by radioactive decays at the single-decay level, and identify showers of radiogenically produced low-energy electrons emitted by $$\alpha$$-decaying radon daughters implanted near solid surfaces.
La sphère est si sensible à la charge qu'elle détecte la perte d'une fraction de la charge d'un seul électron — moins que la charge de tout objet libre connu.