noyau de plomb

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

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.

Une batterie solaire à pérovskite, c'est comme une jeune athlète : au début, elle donne d'excellents résultats, mais avec l'âge, elle se fatigue. En huit heures, ses performances chutent nettement, et aucune cause visible comme des fissures ou de la poussière n'apparaît. Des scientifiques ont pris une batterie et ont relevé ses mesures à la 0e, 90e, 280e et 480e minute de sa vie.

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.

Des balances ultra-sensibles tentent de déceler la différence entre deux grains de sable presque identiques. L'un est le reflet parfait de l'autre, comme dans un miroir. Dans le monde des particules élémentaires, ce reflet miroir est appelé parité P, et sa violation est l'une des plus grandes énigmes de la physique.

Capturer une molécule isolée dans un faisceau lumineux et presque stopper son mouvement est un défi comparable à essayer de retenir un duvet de pissenlit dans un courant d'air. Une particule trop chaude s'échappe du piège, c'est pourquoi les physiciens commencent par calmer son ardeur grâce au refroidissement laser.

Au centre de chaque atome se trouve un noyau, une boule dense de protons et de neutrons. Ces particules ne s'entassent pas au hasard, mais occupent des niveaux d'énergie stricts, semblables aux étages d'un gratte-ciel. Lorsqu'un étage est complètement rempli, le noyau devient particulièrement stable – les physiciens appellent cela un nombre magique.

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée que les protons et les neutrons familiers laissent place à de nouveaux acteurs. Là naissent les hypérons, des particules qui abritent un quark étrange.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. Il a une forme, et cette forme peut changer. Le noyau d'étain-116 a longtemps été considéré comme une sphère presque parfaite : il possède 50 protons — un nombre « magique » qui confère généralement au noyau une symétrie sphérique.

Le noyau atomique n'est pas un simple mélange de protons et de neutrons. Les particules s'y organisent en couches, comme les spectateurs dans un stade : les rangées du bas sont remplies, et chaque proton ou neutron supplémentaire cherche une place dans les gradins supérieurs.

Deux pendules suspendus à un fil commun échangent leur mouvement : poussez l'un, l'autre se met à osciller, et un instant plus tard, le premier reçoit une impulsion en retour. Dans l'atome de thorium-229, l'énergie circule de la même manière entre la couche électronique et le noyau, avec très peu de pertes.

En physique nucléaire, on a longtemps cru que deux neutrons ne pouvaient pas former un état lié — ils s'attirent trop faiblement et se séparent aussitôt. Cependant, à la surface des noyaux riches en neutrons, où la densité de matière chute à des millièmes de la densité nucléaire normale, la situation change radicalement.

Le noyau atomique est rarement une sphère parfaite. Il ressemble plus souvent à un ballon légèrement déformé : la charge électrique y est répartie de manière inégale, et les protons peuvent se déplacer légèrement, créant un minuscule renflement « en forme de poire ».

Le pendule le plus précis du monde n'est pas une tige d'acier, mais un minuscule noyau atomique. L'isotope thorium-229 possède un état excité particulier : pour y faire passer le noyau, il faut très peu d'énergie — environ celle d'un laser ultraviolet.

Un balancier que presque rien ne peut déranger, qui ne craint ni les secousses, ni la chaleur, ni les champs magnétiques — parce qu'il est caché au cœur même de l'atome. C'est un tel balancier que des physiciens ont utilisé en mettant en marche pour la première fois une horloge nucléaire.

Le télescope spatial James Webb a plongé dans une époque où l'expansion de l'Univers a étiré la lumière d'objets lointains vers le rouge, et a découvert une multitude de sources étranges : les « petits points rouges ».

Les horloges les plus précises actuelles mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons dans les atomes. Mais leur marche peut être déréglée, comme un ressort de montre mécanique peut l'être par des secousses. Les physiciens ont trouvé un balancier plus fiable : le noyau atomique.

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.

Une pincée de sel tombe dans l'eau, et les ions sodium et chlore se dispersent, entourés de molécules d'eau. Maintenant, au lieu d'un ion, c'est un positron qui se retrouve dans la compagnie moléculaire — une antiparticule, jumelle de l'électron, mais avec un plus au lieu d'un moins.

Le noyau atomique n'est pas une boule monolithique, mais un essaim dense de particules minuscules, les quarks, collés par une colle spéciale (l'interaction forte).

Un immeuble à plusieurs étages où vivent des protons et des neutrons à chaque niveau. Les étages représentent les niveaux d'énergie, et habituellement, entre le sixième étage et le suivant, il y a une cage d'escalier d'une certaine hauteur – ce qu'on appelle une lacune. Dans le noyau de l'atome d'oxygène-20, cette lacune joue le rôle d'une barrière difficile à franchir pour les particules.

Un faisceau laser aussi ténu qu'un murmure de lumière a fait passer un noyau de thorium-229 dans un état d'énergie supérieur. La plupart des noyaux exigent une décharge d'énergie, mais le thorium-229 possède un intervalle d'énergie si minuscule que même cette caresse douce fonctionne.

L'azote — ce même gaz que nous respirons — se comporte comme un métal capricieux sous une pression d'un million d'atmosphères. Dans une cellule à enclumes de diamant, on le comprime jusqu'à 78–98 gigapascals et on le chauffe au laser jusqu'à 1800–2500 kelvins.

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.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la planète comme la lumière traverse une vitre. Chaque seconde, des milliards de ces particules traversent l'ongle de votre petit doigt, mais en attraper ne serait-ce qu'une est un véritable défi.

Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision, une kilonova naît — une explosion cosmique qui brille non seulement par la chaleur, mais aussi par la désintégration d'éléments lourds fraîchement créés.

Une minuscule particule fantôme traverse un morceau de germanium. En général, elle ne laisse aucune trace, mais parfois, telle une boule de billard, elle heurte le noyau d'un atome. Le noyau recule, et cette impulsion peut être détectée. À Oak Ridge, au laboratoire national, le détecteur Ge-Mini a capté de tels reculs pendant deux ans.

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.

Lorsque deux noyaux de plomb entrent en collision à une vitesse énorme, un nuage de matière incandescente naît un instant — plus dense et plus chaud que le centre du Soleil. À travers ce nuage filent des jets de particules : des faisceaux étroits comme des rayons laser, arrachés par l'impact.

Le laser frappe un atome de strontium, et deux électrons s'en échappent d'un coup. On pensait auparavant que lors d'une telle double ionisation, chaque électron agissait de son côté : l'un est éjecté en premier, l'autre plus tard, au hasard.

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.

Une poignée de pâte à modeler avec une boule collée loin sur le côté devient lâche et allongée. C'est à peu près ainsi qu'est structuré le noyau du béryllium-11 : un neutron étoile à neutrons flotte à l'écart, formant un « halo » autour du noyau dense.

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.

Lorsque de la matière s'accumule à la surface d'une étoile à neutrons — le résidu ultra-dense d'une étoile morte — une explosion se produit, semblable à une gigantesque bombe thermonucléaire. Dans cet enfer, des noyaux d'éléments qui n'existent pas sur Terre naissent en quelques secondes. Pour savoir lesquels, il faut connaître leur masse avec une très grande précision.

Une balle qui ne perce pas une seule cible, mais laisse des traces dans plusieurs couches de blindage. C'est à peu près ainsi que se comporte la matière noire super-lourde, recherchée pour la première fois dans le détecteur DarkSide-50.

Les horloges atomiques classiques reposent sur la spectroscopie — le comptage des oscillations des électrons. Les horloges nucléaires au thorium-229 s'appuient sur le noyau lui-même.

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.

Un film mince de dioxyde de thorium, d'une épaisseur de seulement 10 nanomètres, est déposé sur un disque d'acier. Une impulsion laser le frappe, mais au lieu de la luminescence attendue, le détecteur capte un flux d'électrons.

Au Jefferson Lab, des électrons sont accélérés jusqu'à 12 GeV et percutent des protons pour leur soutirer leurs secrets. Mais les détecteurs existants ressemblent à des appareils photo à champ étroit : soit on voit beaucoup mais de façon sombre, soit on voit net mais sur une toute petite zone.