rayon de charge

Pour connaître la taille du nuage de protons dans un noyau atomique, les physiciens font entrer en collision un noyau instable avec une cible et observent combien de protons il perd. Plus le noyau projectile est gros, plus il heurte fréquemment les noyaux de la cible et perd des particules.

Le noyau atomique n'est pas un sac de billes, mais une structure ordonnée où les protons et les neutrons remplissent des couches, comme les électrons dans l'atome. Lorsqu'une couche est pleine, le noyau devient particulièrement stable, et le nombre de particules est dit magique.

Le noyau atomique n'est pas toujours rond comme une boule de billard. Certains noyaux s'allongent en forme de ballon de rugby, d'autres deviennent semblables à une poire — avec une extrémité plus épaisse que l'autre.

Le noyau d'un atome est souvent représenté comme une boule dense où protons et neutrons sont mélangés. Mais chez certains isotopes, les neutrons peuvent s'étendre bien au-delà de cette boule, formant une coquille diluée — un halo de neutrons. Cela arrive surtout avec les noyaux qui ont beaucoup plus de neutrons que de protons.

Dans le noyau atomique, les protons et les neutrons sont si densément tassés que des forces comparables à des ressorts tendus agissent entre eux. Certains ressorts se compriment et se détendent de manière identique dans toutes les directions — ce sont les forces centrales habituelles.

Une casserole de soupe bouillante frémit, et on aimerait savoir à quel point chaque goutte est chaude à l'intérieur. Mais on ne peut plonger le thermomètre que sur le bord, là où ça bouillonne déjà moins.

L'hydrogène est l'atome le plus simple : un proton et un électron. On pourrait croire qu'il n'y a rien à étudier, mais c'est précisément sur lui que les physiciens testent les lois les plus subtiles du monde microscopique. L'électron dans l'atome peut occuper différents niveaux d'énergie, comme les marches d'un escalier.

Deux noyaux d'étain entrent en collision à environ les deux tiers de la vitesse de la lumière. Pendant un instant, un nuage chaud et dense se forme, d'où des protons s'échappent dans toutes les directions. Si l'on capture des paires de protons et que l'on mesure à quelle fréquence ils partent dans la même direction, on peut calculer la taille de ce nuage.

Pour connaître la taille réelle du proton, les physiciens ont remplacé l'électron de l'atome d'hydrogène par sa copie lourde, le muon. Tel une loupe à fort grossissement, le muon s'approche au plus près du noyau et « tâte » le proton avec une précision inégalée.

Lors de la collision de noyaux lourds dans les accélérateurs, de nombreuses particules sont produites, et les physiciens veulent comprendre comment la charge électrique se déplace dans ce chaos. Deux trains entrent en collision : les passagers (les quarks) sont éjectés, mais leurs bagages (la charge) peuvent se retrouver loin du lieu de l'accident.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. À l'intérieur, comme dans un minuscule aimant, il possède sa propre distribution d'aimantation. Jusqu'à présent, il était difficile de l'observer : les noyaux vivent des fractions de seconde à peine, et leur champ magnétique est faible.

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.

Le proton n'est pas une boule pleine. Sa charge, sa masse et d'autres propriétés sont réparties dans l'espace de manières différentes, et chaque propriété a son propre rayon. Les physiciens savent depuis longtemps mesurer où se concentre la charge du proton et où se trouve sa masse.

Au Grand collisionneur de hadrons, on ne fait pas seulement entrer en collision des protons, mais aussi des noyaux entiers d'atomes.

Dans le nuage sombre L43, où naissent les étoiles, les grains de poussière tourbillonnent comme de minuscules boussoles. La lumière d'une jeune étoile les pousse, tandis que le champ magnétique les aligne dans une direction précise.

L'atome d'hélium est comme un système solaire miniature : les électrons tournent autour du noyau, mais leurs orbites sont régies par des règles strictes. Les scientifiques ont appris à observer ces mouvements avec une précision incroyable.

Le muon, c'est comme un électron, mais environ 200 fois plus lourd. Lorsqu'il s'arrête dans un morceau de silicium, il est attiré dans le noyau atomique comme un aimant attire un clou. Le noyau reçoit un surplus d'énergie et se met à « bouillonner » : il en sort diverses particules — protons, deutons, tritons et particules alpha.

Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière. Ils arrivent sur Terre de toutes les directions, et leur composition nous renseigne sur ce qui se passe dans les recoins lointains de la Galaxie.

Tels des coureurs sur une longue distance, les noyaux atomiques — du léger hélium au lourd fer — foncent vers nous à travers la Galaxie. À l'arrivée, dans le détecteur du ballon stratosphérique, on voit que les noyaux lourds arrivent un peu plus épuisés que les légers.