La découverte des éléments de numéros atomiques 113, 115, 117 et 118 a été annoncée le 30 décembre 2015 par l’Union internationale de chimie pure et appliquée.
# Tableau périodique des éléments : les derniers venus suscitent la controverse

En 2015, quatre nouveaux éléments chimiques sont entrés en fanfare dans le tableau périodique de Mendeleïev. Mais certains chercheurs dénoncent aujourd’hui une annonce prématurée.

Edwin Cartlidge. Traduction par Claire Heitz.

02 août 2018|

Temps de lecture : 11 mn

Les quatre nouveaux éléments du tableau périodique

Les quatre nouveaux éléments du tableau périodique : nihonium (113), moscovium (115), tennesse (117) et oganesson (118)

© concept/Shutterstock.com

L’ambiance au château de Bäckaskog, dans le Sud de la Suède, aurait dû être à l’optimisme lorsque chimistes et physiciens s’y sont réunis pour un symposium en mai 2016. La conférence, parrainée par la fondation Nobel, devait permettre aux chercheurs de faire le point sur les efforts déployés dans le monde pour explorer les limites de la physique nucléaire et de célébrer l’introduction de quatre nouveaux éléments ajoutés au tableau périodique quelques mois plus tôt. Les noms des éléments devaient être annoncés sous quelques jours ; un grand honneur pour les chercheurs et les pays responsables de ces découvertes.

Bien que de nombreux participants aient été ravis de la façon dont leur domaine se développait – et des gros titres qu’il engendrait dans les journaux – un grand nombre d’entre eux étaient préoccupés. Ils redoutaient qu’il y ait eu des failles dans l’évaluation des annonces de ces nouveaux éléments et craignaient que l’examen critique de ces découvertes ait été insuffisant. Certains estimaient qu’il n’y avait pas suffisamment de preuves pour justifier l’ajout des éléments les plus controversés, les numéros 115 et 117. L’intégrité du tableau périodique des éléments était en jeu.

Vers la fin de la réunion, un scientifique a demandé un vote à main levée pour savoir s’il fallait ou non annoncer les noms des éléments comme prévu. La question a mis en évidence la profonde inquiétude de l’assemblée. La plupart des chercheurs ont voté pour retarder l’annonce, selon Walter Loveland, chimiste nucléaire à l’université de l’Oregon à Corvallis. Et cela a déclenché une réaction incroyable de certains des scientifiques russes qui avaient travaillé à la découverte de trois des nouveaux éléments. « Ils ont tapé du pied et sont sortis », raconte Loveland. « Je n’ai jamais vu ça dans un congrès scientifique. »

Malgré ces troubles, les noms des éléments ont été annoncés peu de temps après. Le nihonium (numéro atomique 113), le moscovium (115), le tennesse (117) et l’oganesson (118) ont rejoint les 114 éléments précédemment découverts en tant qu’ajouts permanents au tableau périodique. Près de 150 ans après que Dimitri Mendeleïev a rêvé d’une telle classification, la septième ligne du tableau était officiellement complétée.

Pourtant, la façon dont les événements se sont déroulés a profondément contrarié certains chercheurs. Claes Fahlander, physicien nucléaire à l’université de Lund, en Suède, s’attend à ce que les résultats expérimentaux viennent finalement confirmer les annonces du moscovium et du tennesse. Néanmoins, il soutient qu’il était « prématuré » d’approuver l’ajout de ces éléments. « Nous sommes des scientifiques », explique-t-il, « nous ne vivons pas dans les croyances, nous voulons des preuves. »

Alors que le monde se prépare à célébrer l’année internationale du tableau périodique en 2019, le débat sur les quatre ajouts récents a conduit à la révision du processus de vérification de nouveaux éléments. Et la controverse a jeté le doute sur la rangée inférieure du tableau périodique : il est possible que les autorités scientifiques responsables de la table réévaluent certaines des dernières découvertes.

Une partie du problème découle d’un désaccord entre certains chimistes et physiciens sur la question de savoir qui devrait être le garant légitime du tableau périodique. Historiquement, les chimistes ont joué ce rôle, parce que ce sont eux qui ont découvert au cours des siècles les éléments naturels grâce à des techniques propres à la chimie.

Depuis plusieurs décennies, cependant, les physiciens nucléaires ont mené la chasse aux nouveaux éléments – en les créant artificiellement en fracassant des noyaux atomiques sur des cibles. Il faut parfois des années pour produire un seul atome de ces éléments superlourds, qui sont en outre notoirement instables, se désintégrant en quelques fractions de seconde. Ainsi, alors que les équipes rivalisent pour être les premières à obtenir les prochains éléments, il est devenu plus difficile d’établir la preuve de leurs découvertes.

### Rivalité entre sœurs

La responsabilité de l’approbation ou du rejet de nouveaux éléments incombe à deux organisations sœurs : l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) et l’Union internationale de physique pure et appliquée (UIPPA). Depuis 1999, elles s’appuient sur le jugement d’un groupe d’experts connu sous le nom de Joint Working Party (JWP), présidé par Paul Karol, chimiste nucléaire à l’université Carnegie-Mellon, à Pittsburgh, en Pennsylvanie. Réactivée périodiquement pour évaluer au fil de l’eau la découverte de nouveaux éléments, la dernière équipe du JWP s’est constituée en 2012 et s’est dissoute en 2016. Elle se composait de Paul Karol et de quatre physiciens.

Durant cette période, le groupe a attribué le mérite de la découverte des éléments 115, 117 et 118 à une collaboration russo-américaine dirigée par un physicien nucléaire chevronné, Yuri Oganessian, du Joint Institute for Nuclear Research (JINR), à Dubna, en Russie. Et le groupe d’experts a attribué l’élément 113 aux chercheurs du RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, près de Tokyo.

Les décisions du JWP ont été annoncées publiquement le 30 décembre 2015, lorsque l’UICPA a publié un communiqué de presse révélant la découverte des quatre nouveaux éléments (qui n’avaient pas encore reçu leur nom officiel). Les représentants de l’UICPA ont déclaré qu’ils avaient travaillé rapidement pour communiquer cette décision. En fait, ils ont fait cette annonce avant que le comité exécutif de l’UICPA ne puisse approuver les conclusions de JWP, comme le précisent pourtant ses règles internes. Cette approbation a eu lieu le mois suivant. Plus gênant, les conclusions du JWP n’avaient même pas été présentées à l’Union internationale de physique, l’UIPPA, qui s’attendait à être consultée, affirme Bruce McKellar, de l’université de Melbourne, en Australie, alors président de l’UIPPA.

Cette omission a ravivé les tensions entre les deux sociétés savantes. Cecilia Jarlskog, physicienne à l’université de Lund et présidente de l’UIPPA avant McKellar, affirme que pendant des années, l’Union internationale de chimie a, de façon injustifiée, dominé le processus d’évaluation des découvertes (Karol a déclaré au journal Nature qu’en préparant les rapports du JWP, il était en relation presque exclusivement avec la société de chimie). Exprimant sa frustration lors du symposium de 2016, en Suède, Cecilia Jarlskog a accusé l’UICPA d’essayer de se mettre en avant en annonçant la découverte par elle-même, et a fait valoir que seul les physiciens ont la compétence pour évaluer les annonces de nouveaux éléments.

Les tensions entre les communautés des physiciens et des chimistes ont été exacerbées par des critiques sur la façon dont le JWP avait évalué la découverte des éléments 115 et 117. Le JWP a validé les conclusions de l’équipe qui a découvert ces éléments, qui avait affirmé avoir observé des chaînes de désintégration radioactive des éléments 115 et 117 qui montraient certaines correspondances, ce qui renforçait la crédibilité des deux découvertes. Mais cette analyse est notoirement sujette à caution pour les éléments de numéro atomique impair. Claes Fahlander et ses collègues de l’université de Lund ont signalé qu’il est très peu probable qu’une telle correspondance existe entre les éléments 115 et 117 – point qui a été porté à l’attention du JWP en février 2015.

Robert Barber, membre du groupe d’experts et physicien nucléaire à l’université du Manitoba, à Winnipeg, au Canada, explique que même si ses collègues et lui étaient « préoccupés » par l’utilisation de ce type d’analyse, ils avaient conclu qu’il n’y avait pas d’alternative et qu’ils étaient parvenus à un consensus sur toutes leurs décisions. Walter Loveland soutient également la décision globale. Et même si le dernier groupe du JWP s’est trompé sur certains détails, dit-il, le passé montre qu’il est peu probable que ses décisions soient remises en cause.

Le physicien nucléaire Valdimir Utyonkov de l’institut de recherche nucléaire de Dubna, en Russie, incrimine pour sa part directement le JWP. Bien qu’il ne soit pas d’accord avec l’argument du groupe de Lund sur l’analyse croisée et qu’il soit convaincu que la découverte russo-américaine est solide, Utyonkov soutient que le groupe ne comprenait aucun expert « de haut niveau » sur la synthèse d’éléments lourds, et affirme que ses rapports préliminaires contenaient de nombreuses erreurs. Karol défend le travail que ses collègues et lui ont réalisé dans le cadre du JWP, en déclarant qu’ils avaient essayé de se conformer aux critères publiés régissant le processus d’évaluation. Dans l’ensemble, dit-il « je crois que le comité était extrêmement à l’aise avec le contenu de son rapport. »

Comment créer un élément

Une équipe de chercheurs russes et américains ont bombardé entre eux, des noyaux de berkélium (nombre atomique Z = 97) avec du calcium 48 (Z = 20) pour produire des noyaux de tennesse (Z = 117), qui se divisent en éléments plus légers par désintégration radioactive.

© Nature

Mais il semble que la plupart des participants au congrès de 2016 en Suède aient été critiques vis-à-vis du JWP. David Hinde, physicien nucléaire à l’université australienne de Canberra, a demandé aux quelque 50 chercheurs présents s’ils pensaient que les conclusions du panel d’experts étaient « scientifiquement satisfaisantes ». Il dit avoir reçu très peu de réponses positives à cette question.

### Une question d’évaluation

Malgré ces différents problèmes, l’UICPA et l’UIPPA sont allées de l’avant et ont annoncé en juin 2016 les noms des quatre nouveaux éléments. Bruce McKellar admet qu’il avait des doutes à ce sujet, mais déclare que la plupart des physiciens et des chimistes qu’il a consultés lui ont dit les conclusions générales du JWP – si ce n’est tous les détails de leurs analyses – étaient probablement solides.

Jan Reedijk, alors président de la division de chimie inorganique de l’UICPA, affirme que l’annonce initiale a été faite très tôt pour éviter les fuites dans la presse et pour satisfaire les demandes des laboratoires à l’origine de la découverte, impatients de diffuser l’information. Pour ce faire, dit-il, il a rapidement approuvé les conclusions de JWP en décembre 2015 au nom de sa division, après qu’elles ont été expertisées par des pairs et acceptées pour publication dans la revue Pure and Applied Chemistry de l’Union internationale de chimie. « J’ai constaté que l’examen adéquat avait été fait, alors j’ai donné mon feu vert en moins d’une heure », ajoute-t-il.

Toutefois, il n’est pas clair s’il y a eu une évaluation vraiment indépendante ou non. Selon la directrice exécutive de l’Union internationale de chimie, Lynn Soby, le travail du JWP a été examiné en deux étapes avant l’annonce. Tout d’abord, ses conclusions ont été transmises à plusieurs laboratoires, principalement ceux qui ont participé aux dernières découvertes, ainsi qu’à un autre expert proposé par l’un des laboratoires. Ensuite, les rapports du JWP ont été envoyés aux membres du comité de l’UICPA consacré à la nomenclature, aux symboles et à la terminologie des éléments de la table périodique.

Lynn Soby affirme que le travail du comité consistait à vérifier les erreurs de formulation et présentation, et qu’il incombait donc aux laboratoires eux-mêmes d’effectuer un examen scientifique. Elle affirme que cette procédure était appropriée, puisqu’ils sont les experts du domaine. Pourtant, l’un de ces chercheurs, Vladimir Utyonkov, pensait que l’UICPA avait recruté 15 experts indépendants pour effectuer l’évaluation scientifique. Il a supposé qu’on lui demandait simplement, ainsi qu’à deux collègues de Dubna, de vérifier les faits et les chiffres dans les rapports. « Je ne sais pas comment nous pouvons être considérés comme des arbitres indépendants », dit-il.

Rétrospectivement, Cecilia Jarlskog aurait souhaité que la communauté des physiciens, dont elle-même, prêtent une plus grande attention à la façon dont le processus d’évaluation a été conduit, en particulier à l’arbitrage des conclusions du JWP. « Notre négligence va me faire faire des cauchemars. »

Pour répondre aux différents points soulevés, les deux Unions internationales ont convenu de nouvelles procédures d’évaluation pour tout futur élément. Selon les règles modifiées, qui ont été publiées en mai 2018, les présidents de l’UICPA et de l’UIPPA auront maintenant la possibilité d’examiner les résultats du JWP avant d’annoncer conjointement leurs conclusions. Pour ce faire, ils mèneront un processus indépendant d’évaluation par les pairs en plus de celui de la revue Pure and Applied Chemistry.

Bruce McKellar affirme que les changements auront un effet positif. « Les deux unions internationales ont développé une relation de confiance en travaillant ensemble sur cette question », dit-il. Mais ces changements ne satisferont pas certains scientifiques critiques, comme Jarlskog. « Je ne pense pas que les nouvelles règles changeront quoi que ce soit », conclut-elle.

### PREMIÈRES MESURES DIRECTES DES MASSES

Bien que certains chercheurs aient émis des doutes sur les détections des derniers noyaux superlourds, les recherches effectuées depuis les annonces tendent à confirmer ces découvertes. Le développement le plus récent en ce sens a été la mesure directe (par séparation spatiale des noyaux en fonction de leur rapport masse/charge), du nombre de masse (somme des nombres de protons et de neutrons) de noyaux de moscovium et de nihonium (J. M. Gates et al., Physical Review Letters, vol. 121, 222501, 2018). La mesure a porté sur des noyaux produits au laboratoire américain Lawrence-Berkeley en irradiant de l’américium 243 avec des ions de calcium 48. Les nombres de masse trouvés, 288 et 284 respectivement, sont compatibles avec les mesures indirectes fondées sur l’analyse des chaînes de désintégration, entachées de plusieurs incertitudes.

Tableau périodique des éléments : les derniers venus suscitent la controverse

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L'essentiel

La découverte des éléments de numéros atomiques 113, 115, 117 et 118 a été annoncée le 30 décembre 2015 par l’Union internationale de chimie pure et appliquée.

Cette annonce s’appuyait sur les conclusions d’un groupe d’experts. Une controverse est née, certains chercheurs mettant en doute la qualité de l’évaluation réalisée par ce groupe et critiquant le fait que l’Union internationale de physique pure et appliquée n’ait pas été informée de ses conclusions avant l’annonce.

Pour éviter de futurs conflits, les deux sociétés savantes ont convenu de nouvelles procédures pour officialiser la découverte d’un nouvel élément.

Edwin Cartlidge est journaliste scientifique basé à Rome, en Italie.

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