désintégration bêta

Imaginez une pièce où des centaines de personnes parlent en même temps, et vous, vous essayez d'entendre une épingle tomber. C'est exactement ainsi que les physiciens de la collaboration PandaX-4T ont écouté le silence à l'intérieur de 3,7 tonnes de xénon liquide.

Deux orchestres différents jouent la même partition de dommages, mais ils ont des chefs différents : l'un freine avant la division, l'autre avant la duplication de l'ADN. Le cancer de la bouche et le cancer du sein reçoivent le même choc de neutrons, mais ils réagissent comme s'ils écoutaient des chefs différents.

La règle qui mesure l'invisible doit être étalonnée sur quelque chose de tangible. En physique des particules, cette règle est constituée par les modèles nucléaires, et le repère tangible est la désintégration du technétium-99. Cet isotope artificiel vit 211 000 ans et se désintègre en émettant un électron.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé au point qu'une cuillère à café de sa matière pèserait aussi lourd qu'une montagne. À l'intérieur d'un tel objet, les protons et les neutrons sont tassés au plus près, et sous une pression énorme, des hyperons peuvent y apparaître — des particules contenant un quark étrange.

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

En 1976, des physiciens ont prédit qu'un électron ne se contenterait pas de passer près du noyau, mais pourrait le percuter et lui transférer de l'énergie, le faisant « tressaillir ». Cet effet a été nommé NEEC — excitation nucléaire par capture électronique. Mais pendant près de cinquante ans, il n'a jamais pu être observé en laboratoire.

Un sablier où les grains de sable se transformeraient en d'autres grains pendant leur chute : voilà à quoi ressemblent les noyaux atomiques instables. Ils vivent un instant puis se désintègrent, éjectant un électron (c'est précisément la désintégration bêta).

En 1946, proposa une méthode qui a bouleversé l'archéologie : déterminer l'âge d'un objet grâce à la désintégration du carbone 14. L'horloge tourne : tous les 5730 ans, la moitié des atomes disparaît. Mais pourquoi si lentement ? Pour un noyau léger, c'est une anomalie — les durées de vie typiques sont des millions de fois plus courtes.

Le noyau atomique ressemble à un bus bondé. Pour faire de la place, un groupe de deux protons et deux neutrons – le noyau d'hélium, la particule alpha – sort par la porte avant : c'est la désintégration alpha, décrite par George Gamow comme un tunnel sous la barrière d'énergie.

Les noyaux des atomes sont enveloppés dans de gros manteaux de fourrure électronique – avec une telle tenue, impossible de se faire un câlin. Mais remplacez le manteau léger par un lourd : le muon, une particule du modèle standard, comprime le nuage près de 200 fois.

À l'intérieur du Soleil, des transformations nucléaires invisibles se produisent chaque seconde. L'une d'elles est la naissance du bore-8 : le noyau de béryllium-7 capture un proton qui passe par là et devient, l'espace d'un instant, un nouvel élément.

Une étoile à neutrons est le noyau mort d'une étoile qui a explosé, compressé à la taille d'une ville. Si une étoile ordinaire se trouve à proximité, l'étoile à neutrons aspire sa matière comme un aspirateur. Cette matière tombe à la surface et forme une croûte – une couche solide de noyaux atomiques riches en neutrons.

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.

Le noyau d'un atome n'est pas toujours rond. Il peut s'allonger comme un melon ou s'aplatir comme une citrouille. Et de cette forme dépend sa taille — comme de la forme de la pâte dépend la taille du gâteau. Les scientifiques ont calculé la forme et la taille des noyaux des isotopes de berkélium — un élément lourd produit dans les réacteurs.

Dans le noyau atomique, les protons et les neutrons s'empilent en couches, comme les spectateurs dans une salle comble. Lorsqu'une couche est remplie, le noyau devient particulièrement stable — les physiciens appellent ces « rangées complètes » des nombres magiques.

Dans les entrailles d'une étoile mourante, avant l'explosion de la supernova, des réactions nucléaires déterminent quels éléments chimiques seront dispersés dans l'espace.

Le proton ne peut pas être vu comme une simple boule. Si on le frappe avec un photon, il peut absorber de l'énergie et passer dans un état excité — comme une cloche qui se met à sonner à une certaine fréquence après avoir été frappée.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers ressemblait à une cuisinière brûlante. Selon la « recette » du modèle standard de la cosmologie, cette nucléosynthèse primordiale devait produire de l'hydrogène, de l'hélium et un peu de lithium.

Des atomes ultra-froids peuvent se comporter comme un tout. Si un neutrino naît dans un tel nuage, il s'éclipse généralement sans laisser de trace.

Au cœur des étoiles, des noyaux légers fusionnent, donnant naissance à de l'hélium et à des flux de neutrons. Sur Terre, ce processus est reproduit en combinant du deutérium et du tritium, des isotopes particuliers de l'hydrogène.