physique nucléaire

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.

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.

Le noyau d'uranium-235, après avoir capturé un neutron lent, ne se fragmente pas immédiatement. D'abord, il semble rester coincé dans deux « puits » – des états de formes différentes. Le premier, fondamental, est une goutte légèrement allongée. Le second, isomérique, est une goutte plus étirée, mais pas encore rompue.

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).

Plus un film ferroélectrique est mince, plus le champ dépolarisant est fort — c'est le diktat de la physique classique. Imaginez un crayon en équilibre sur le bout du doigt : plus il est court, plus il est difficile de le tenir vertical. De même, la polarisation nanométrique tend à disparaître.

Dans l'orchestre des atomes, chaque instrument a sa propre partition. Mais parfois, deux musiciens commencent à jouer à l'unisson — et le son s'amplifie plusieurs fois. Dans le monde quantique, cette « consonance » est appelée résonance de Feshbach.

Le modèle standard est un ensemble de règles décrivant toutes les particules connues. Mais il reste muet sur la matière noire, qui constitue un quart de l'Univers. Pour la trouver, pas besoin de construire des collisionneurs de la taille d'une ville.

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.

Si vous essayez de briser un proton et d'en extraire un quark, vous aurez une surprise. Les forces ordinaires, comme la force électrique, faiblissent lorsque les particules s'éloignent. Ici, c'est le contraire. Plus un quark est loin de ses voisins, plus il est rappelé.

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.

Une horloge, ce n'est pas que des aiguilles. Tout noyau atomique est un métronome naturel : il oscille avec une régularité presque parfaite. Si l'on soulève un de ces métronomes de deux mètres, son rythme s'accélère légèrement — c'est la courbure de l'espace-temps prédite par Einstein.

Une collision à très grande vitesse a arraché un neutron du noyau d'hélium-8, et pendant un instant, un noyau d'hélium-7 est apparu — comme une étagère surchargée d'où trois livres tombent d'un coup.

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.

Le noyau atomique n'est pas une boule figée, mais un collectif bouillonnant de protons et de neutrons. Ils tournent, se heurtent et s'organisent en motifs que les physiciens voient comme des « bandes » — des échelles de niveaux d'énergie. Dans les noyaux de niobium et de technétium, on a trouvé quatre de ces échelles, mais la dernière refusait obstinément de rentrer dans les calculs.

Le noyau d'un atome a généralement une forme bien définie – allongée comme un melon, ou aplatie comme une citrouille. Mais le silicium-30 se comporte différemment : il semble incapable de décider quelle forme adopter.

Dix microsecondes après le Big Bang, l'Univers ressemblait à une casserole de bouillon bouillant. Des quarks et des gluons y flottaient — les particules qui, plus tard, s'assembleraient en protons et en neutrons. Le bouillon refroidissait, et à un moment donné, les quarks se sont collés en petits paquets — ces fameux protons et neutrons dont toute la matière visible est constituée.

Une cloche ne bourdonne pas d'une seule note : après le coup, plusieurs harmoniques résonnent. C'est à peu près ainsi que vibre un noyau atomique : après une collision, il peut osciller, et ces oscillations sont visibles dans les rayons gamma émis.

Une étoile à neutrons est un résidu ultra-dense d'une explosion de supernova, dont l'existence a été prédite par Fritz Zwicky dès les années 1930.

Un noyau atomique instable ressemble à une goutte d'eau sur une poêle brûlante : elle n'existe qu'un instant et sa forme ne cesse de changer. Les physiciens ont appris à décrire ces gouttes — des noyaux qui vivent moins d'un milliardième de seconde et se désintègrent à peine nés.

Dans le noyau d'un atome, les neutrons ne sont pas tous retenus avec la même force. Si on les arrache un par un, comme les feuilles d'un chou, l'énergie d'arrachage est différente à chaque fois. Pour les isotopes à 149 particules dans le noyau (lanthane, cérium, praséodyme), cette énergie vient d'être mesurée à nouveau — et l'un des chiffres ne correspond pas à la valeur précédente.

Le noyau de calcium-48 est comme une pièce verrouillée avec 48 nucléons. À l'intérieur, des permutations se produisent : un neutron devient un proton, et la pièce se réorganise lentement en une autre — le titane-48. Le processus prend un temps inimaginable : en moyenne un trillion de trillions d'années, mais il se produit.

Lorsqu'un neutron supplémentaire pénètre dans un noyau atomique, celui-ci se comporte comme une tasse trop pleine : encore un peu et le contenu déborde. Les physiciens du centre français GANIL ont organisé un tel « transfert » de neutron d'un deutéron (noyau d'hydrogène lourd) vers un noyau d'oxygène-19.

Un proton percute un noyau de deutérium — un petit assemblage d'un proton et d'un neutron. Autrefois, on décrivait ces collisions avec des équations où le temps s'écoulait de la même façon pour tout le monde, comme dans la vie courante.

Très haut au-dessus de la Terre, un satellite évolue, et à son bord se trouve un instrument de la taille d'une petite armoire. Il capture des particules qui ont traversé la galaxie pendant des milliards d'années avant de venir percuter le détecteur.