Expérimentation nucléaire nucl-ex

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.

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.

Un diapason taillé dans un métal parfait sonne à une fréquence unique. Son son est pur comme une formule mathématique. Mais si on le serre dans un étau ou qu'on le plonge dans un liquide visqueux, la tonalité s'élargit, se charge de bruits, perd sa netteté. C'est à peu près ce qui arrive au noyau de scandium-45 lorsqu'on le place dans un réseau cristallin.

Moment dipolaire mesuré du tantale-181 : 3,39 × 10⁻³² e·cm — c'est comme repérer un déplacement d'un atome à l'échelle du système solaire. Un noyau atomique ordinaire est parfaitement équilibré, telle une toupie qui tourne.

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.

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.

Le muon est une toupie minuscule qui tourne dans la mer agitée du vide. Son axe magnétique pointe légèrement à côté de ce que prédit le modèle standard. L'écart n'est que de quelques millionièmes, mais pour les physiciens, c'est une véritable énigme. Le vide n'est pas un calme plat.

Pour que deux noyaux atomiques fusionnent, il faut surmonter leur répulsion électrique féroce — comme si l'on tentait de faire s'accoupler deux taureaux furieux. Dans des conditions normales, seule une énergie colossale, comme celle des cœurs stellaires, peut y parvenir, là où Hans Bethe expliquait déjà la fusion dans les années 1930.

Notre Soleil émet des flux de neutrinos — des particules qui interagissent à peine avec la matière. En traversant la matière dense du Soleil, ils changent de type — ce que les scientifiques appellent leur « saveur ». C'est comme une voix qui se modifie en traversant une foule : plus l'environnement est dense, plus la distorsion est forte.

Dans un immense spectromètre à Karlsruhe, semblable à un gigantesque fût métallique, on capture des particules quasi impossibles à attraper. Les neutrinos sont les fantômes du monde microscopique : chaque seconde, des trillions de ces particules traversent votre corps sans que vous vous en aperceviez. Mais ils ont une masse, et les scientifiques veulent la mesurer.

Lorsqu'un neutron percute un noyau, il peut en arracher un morceau : une particule alpha, c'est-à-dire un noyau d'hélium.

Comme dans une pièce bondée où chaque nouvelle personne augmente fortement la pression sur les murs, dans une étoile à neutrons, l'augmentation de la densité entraîne une hausse de la résistance interne. Mais cette résistance a elle aussi un plafond absolu.

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.

L'eau lourde – celle où l'hydrogène ordinaire est remplacé par son cousin plus massif, le deutérium – a été soumise à un courant électrique.

L'eau gèle à zéro degré et bout à cent degrés. La matière faite de quarks et de gluons a aussi des frontières entre ses états, mais au lieu d'un thermomètre, on parle ici de températures en millions d'électron-volts.

À l'intérieur d'un spectromètre de sept mètres de haut, semblable à une haute colonne, naissent les fragments d'un neutron désintégré. Pour les attraper, il faut des plaques de silicium de la taille d'une table de salle à manger et de l'épaisseur d'un doigt.

L'eau dans une bouilloire chauffe jusqu'à cent degrés, puis cesse d'être de l'eau pour devenir de la vapeur. Quelque chose d'analogue se produit avec les noyaux atomiques lorsqu'on les fait entrer en collision à des vitesses énormes dans le Grand collisionneur de hadrons.

Au plus profond d'un laboratoire souterrain, un détecteur de la taille d'une pièce attend un événement qui pourrait ne se produire qu'une fois tous les cent milliards de milliards d'années.

Le noyau atomique n'est pas simplement un sac de protons et de neutrons. C'est un système quantique où les particules sont liées par des fils invisibles d'intrication. Lorsque deux protons ou deux neutrons interagissent, leurs états s'entrelacent de telle sorte qu'il est impossible de décrire l'un sans l'autre.

Chaque atome a sa propre « voix » : la fréquence de la lumière qu'il émet. Chez les isotopes, des atomes avec un nombre différent de neutrons, les voix diffèrent légèrement. C'est comme dans une chorale : si vous connaissez parfaitement la partition, la moindre fausse note révèle une intervention extérieure.

Dans le noyau d'un atome vivent des protons et des neutrons. Mais parfois, un invité s'y glisse : une particule nommée lambda. Elle ressemble au neutron, mais elle est plus lourde et possède une propriété spéciale que les physiciens appellent l'étrangeté. Un tel noyau avec son invité s'appelle un hypernoyau.

À l'intérieur du réfrigérateur qui refroidit la matière presque jusqu'au zéro absolu bat un cœur mécanique : le tube à pulsation. Il pompe le gaz et évacue la chaleur, mais avec le froid, il apporte des vibrations. Chaque battement de ce cœur secoue les instruments placés près de l'échantillon et gâche les mesures délicates.

Un morceau de germanium ordinaire de la taille d'une paume peut détecter le passage d'une seule particule de matière noire. Mais pour cela, le cristal doit être presque parfait : sans bruit électrique, avec un champ uniforme à l'intérieur et des contacts qui ne produisent pas d'étincelles sous haute tension.

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.

Allumer un soleil miniature est un vieux rêve de l'humanité. En général, les scientifiques tentent de confiner un plasma brûlant (un gaz de particules chargées) à des températures de plusieurs centaines de millions de degrés.

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.

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.

Dans un réservoir d'eau pure, les particules se déplaçant plus vite que la lumière dans ce milieu laissent des éclairs bleutés — comme un avion franchissant le mur du son produit un bang. Grâce à ces éclairs, on peut identifier le visiteur : un quantum gamma ou un neutron.

Dans le noyau atomique, les particules ne sont pas entassées n'importe comment. Parfois, deux protons et deux neutrons se regroupent en un quatuor soudé — un tel mini-collectif est appelé amas alpha. Cela évoque une famille qui, dans un immeuble bondé, reste unie. Extraire ce quatuor du noyau et observer comment il y vivait, c'est la mission d'un proton rapide.

Un morceau de plastique dense de la taille d'une pièce de monnaie s'illumine lorsqu'une particule invisible le traverse. C'est ainsi que fonctionnent les scintillateurs : des matériaux qui convertissent les radiations en une faible lumière. On les fabrique généralement à partir de cristaux fragiles ou de polymères coûteux.

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.

Dans un accélérateur de particules, les électrons filent en cercle à une vitesse proche de celle de la lumière. Quand un tel électron entre en collision avec un photon — une particule de lumière —, le photon rebondit comme une balle contre un camion lancé à toute allure et repart avec une énergie bien plus grande.

Chaque année, aux seuls États-Unis, les médecins réalisent plus de 16 millions d'examens avec l'isotope radioactif technétium-99m. Il illumine sur les images le cœur, les os, les poumons, aide à repérer une tumeur ou à vérifier la circulation sanguine. Mais cet isotope ne vit que six heures, on ne peut donc pas le stocker : il faut un approvisionnement constant.

Entendre un murmure au milieu d'une gare bruyante : c'est un peu le défi des physiciens qui cherchent le moment dipolaire électrique du neutron. C'est un infime déplacement de charge à l'intérieur de la particule.

Un thermomètre refroidi presque au zéro absolu détecte la chaleur d'une seule particule. C'est ainsi que fonctionnent les calorimètres cryogéniques, des instruments qui traquent les événements les plus rares, comme la double désintégration bêta sans neutrino.

Sur les accélérateurs, il arrive que naissent des particules qui ne rentrent pas dans le schéma habituel de deux ou trois quarks. Deux de ces particules, Zb(10610) et Zb(10650), intriguent les physiciens depuis plus de dix ans. Elles ressemblent à des analogues lourds des pions, mais avec un signe évident d'une composition à quatre quarks.

Dans un accélérateur de particules à Pékin, un antihyperon lambda – une particule d'antimatière rare – percute un proton ordinaire. Au lieu de simplement disparaître, ils se transforment en tout un bouquet d'autres particules : un kaon chargé positivement, deux pions et parfois des pions neutres supplémentaires.

Le noyau d'un atome de xénon-133 ne vit que quelques jours avant de se désintégrer. Impossible d'en faire une fine pellicule-cible et de la bombarder de particules : elle disparaîtrait avant même d'être fabriquée. Les physiciens ont donc fait l'inverse : ils ont accéléré des noyaux de xénon-132 et les ont dirigés vers une cible de deutérium (hydrogène lourd).

La croissance d'un cristal de germanium ultra-pur évoque la cuisson d'un soufflé capricieux : un léger excès de chaleur ou un grain d'impureté en trop, et tout le lingot ne vaut plus que pour être refondu.