Théorie nucléaire nucl-th

Au cœur silencieux de l'univers, là où les particules se rencontrent et se séparent, naît un acte d'harmonie pure. Deux bosons de Higgs se croisent et, l'espace d'un instant, forment un tout — et si l'on exige que leur intrication quantique atteigne toujours sa limite, tel un diapason donnant le ton parfait, les équations s'illuminent soudain…

En 1976, Gerard 't Hooft a remarqué que le vide d'une théorie de jauge n'est pas aussi simple qu'il y paraît : il possède une structure topologique qui se manifeste par une susceptibilité topologique non nulle.

Un système quantique, une fois né, ne l'oublie pas. Même après des dizaines de durées de vie, il reste dans sa désintégration une trace de l'état initial : une queue en loi de puissance qui décroît lentement. Pour deux colorants fluorescents, l'érythrosine B et l'éosine Y, cette queue a pu être observée pour la première fois dans deux canaux spectraux à la fois.

La collision de deux étoiles à neutrons est un choc qui s'entend dans tout l'Univers. Les détecteurs d'ondes gravitationnelles captent les ondulations de l'espace-temps, mais le son le plus intéressant commence après l'impact : le résidu de la fusion, une étoile à neutrons hypermassive en rotation rapide, continue de vibrer…

Trois branches de la physique — la cosmologie, la physique des particules et la physique nucléaire — ont longtemps fonctionné comme des rives isolées.

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.

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.

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.

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.

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.

Les étoiles à neutrons — résidus ultra-denses de supernovae — génèrent des ondes gravitationnelles lors de leurs collisions. Ces ondulations de l'espace peuvent être imaginées comme une mélodie inaudible : plus on en capte les notes avec précision, mieux on comprend l'intérieur de ces objets.

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.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée à des densités inimaginables. Autrefois, les scientifiques spéculaient sur la façon dont tout cela était organisé, en passant en revue les équations possibles reliant la pression et la densité. La nouvelle approche écarte les conjectures : elle relie directement la masse et le rayon, mesurables, à la structure interne.

Deux particules se tiennent l'une à l'autre comme des alpinistes encordés, et foncent vers un mur. Vont-elles rebondir ensemble ou la corde va-t-elle se rompre ? De quoi cela dépend-il ? Les physiciens ont examiné le cas le plus simple : tout se passe sur une ligne droite, les particules ne s'attirent que lorsqu'elles se trouvent au même point, et le mur est absolument rigide.

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.

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.

Les trous noirs primordiaux — des objets de la taille d'un atome mais dont la masse dépasse celle d'un astéroïde — auraient pu naître dans les tout premiers instants après le Big Bang.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée si densément qu'une cuillère à café de cette substance pèserait autant qu'une montagne.

L'antiproton est le jumeau miroir du proton : même masse, mais charge négative. Lorsqu'il s'approche du noyau d'un atome, les particules peuvent s'annihiler, se transformant en rayonnement.

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.

Le faisceau d'électrons frappe le proton comme une boule de billard en heurte une autre. Mais entre eux, ce n'est pas le vide : les particules ont le temps d'échanger des photons virtuels et des bosons Z, comme des joueurs qui se passent le ballon dans le dos.

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.

Le méson phi est une particule qui ne vit qu'un instant, mais qui peut s'accrocher brièvement aux protons et aux neutrons d'un noyau atomique. Des physiciens ont étudié ce qui se passe si un tel méson se retrouve à l'intérieur de noyaux légers d'hélium et d'hydrogène.

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.

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.

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.

L'équation de diffusion est une photo floue d'une foule de particules : sur ce cliché, la perturbation se propage instantanément dans tout l'Univers, défiant la théorie de la relativité. Le mystère s'épaissit avec son lien avec l'augmentation de l'entropie (mesure du désordre).

Le noyau atomique vit généralement dans un seul état énergétique, comme une balle posée sur le sol. Mais le thorium-229 fait figure d'exception rare : son noyau peut rester coincé sur une minuscule marche au-dessus du sol — dans ce qu'on appelle l'état isomère.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est si dense qu'une cuillère à café pèse autant qu'une montagne. Sous une telle pression, les particules ordinaires – protons et neutrons – peuvent se transformer en particules exotiques appelées hypérons. Ces particules ressemblent aux neutrons, mais contiennent des quarks étranges.

Le neutron est la particule qui compose principalement les étoiles à neutrons. En lui-même, il est instable : un neutron libre vit environ quinze minutes, puis se désintègre en proton, électron et antineutrino.

Dans le monde minuscule, la lumière et la matière obéissent à des lois difficiles à calculer même avec un superordinateur. Les physiciens construisent des « simulateurs quantiques » spéciaux : des dispositifs où des atomes froids jouent le rôle de particules et de champs.

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.

Au centre d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée si fort que les protons et les neutrons se transforment en particules plus lourdes — les hyperons. Ces particules ressemblent aux neutrons, mais contiennent un quark étrange.

Le noyau d'un atome n'est pas une boule dure, mais une goutte de liquide que l'on peut comprimer. Pour comprendre à quel point elle est élastique, les physiciens accélèrent des noyaux d'or et les font entrer en collision. Lors de l'impact, la matière se comprime jusqu'à des densités comparables à celles d'une étoile à neutrons, puis se disperse.

À l'intérieur du proton, les quarks s'attirent via les gluons, comme par des ressorts. Lâchez un quark : le ressort se tend et casse, engendrant un nouveau quark.

L'antiproton est le jumeau du proton, mais avec une charge négative. Lorsqu'un tel jumeau s'approche d'un noyau, il ne rebondit pas simplement : une véritable danse d'attraction et de répulsion s'engage entre eux.

En avril 2023, les satellites japonais ont détecté une éruption de rayons X extrêmement puissante sur l'étoile à neutrons MAXI J1752–457. L'étoile a refroidi en 4 jours — cinq fois plus vite que d'habitude. Comme si quelqu'un avait entrouvert une fenêtre cosmique. Cette fenêtre a été ouverte par le « processus Urca » nucléaire.

Bien avant cela, Fritz Zwicky avait prédit qu'après l'explosion d'une supernova naissait une minuscule étoile à neutrons. Des années plus tard, Jocelyn Bell Burnell en a capté les pulsations, découvrant les pulsars.

Au cœur d'une étoile massive, deux noyaux de carbone entrent en collision et fusionnent en un seul noyau de magnésium. De ce processus dépend la vitesse à laquelle l'étoile consomme son carburant et les éléments chimiques qu'elle parvient à créer.

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.