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Percer les secrets des noyaux atomiques
Physique nucléaire
Astroparticules
Physique hadronique
Pourquoi ne trouve-t-on que 287 isotopes et pas plus sur Terre, tandis que des milliers existent dans les étoiles ? Quels mécanismes intrinsèques gouvernent cette stabilité et quelles sont leurs limites ? Où, quand et comment les noyaux qui constituent notre univers visible se sont formés ? Qu’est-ce qui différencie les noyaux terrestres de ceux des étoiles ? Autant de questions qui trouvent des réponses à la fois dans l’étude des noyaux en laboratoire et dans l’observation du cosmos.
En étudiant en laboratoire les forces qui les gouvernent
Explorer la diversité des noyaux pour mieux les comprendre
Plusieurs milliers d’isotopes différents ont été observés en laboratoire. Mais les modèles nucléaires et les observations cosmiques montrent qu’il en existe encore autant à découvrir et à étudier. Ce sont les noyaux exotiques. Dans les laboratoires de physique nucléaire, ces noyaux sont brièvement recréés à l’aide d’accélérateurs d’ions lourds. L’examen de leurs propriétés à l’aide de détecteurs perfectionnés sert à comprendre les forces qui gouvernent la cohésion et l’équilibre de la matière. Au GANIL à Caen, l’IN2P3 et le CEA ont conçu et construit l’accélérateur d’ions le plus intense au monde (photo SPIRAL2 ci-dessous), qui sera en capacité de produire une variété inédite de ces noyaux exotiques, y compris les plus rares. Un spectromètre, S3, en construction, permettra de les identifier et les étudier en détail.
crédits : Infographie CNRS/IN2P3
Enceintes cryogéniques contenant les cavités accélératrices de l’accélérateur linéaire de SPIRAL2 au GANIL
crédits : IN2P3 CEA CNRS
Le détecteur AGATA au GANIL enregistre les rayons gammas émis par les réactions nucléaires
crédits : N. Busser CNRS/IN2P3
La recherche de noyaux super lourds
La physique nucléaire permet de comprendre l’intime de la matière et pour cela la pousse dans ses extrêmes. Elle cherche par exemple à savoir quel est le nombre le plus élevé de protons que l’interaction forte peut maintenir assemblés, en créant de nouveaux éléments chimiques. Ces noyaux dits super-lourds, dont le dernier observé possédait 118 protons, sont très difficiles à obtenir. Ils sont néanmoins activement recherchés, à la fois pour étudier l’équilibre entre les propriétés quantiques et macroscopiques de la matière, mais aussi pour tester s’il existe des éléments stables au delà de 120 protons, comme le prédit la théorie.
Impossible simulation
Le noyau atomique, avec ses protons et neutrons tous composés de 3 quarks, forme un système très complexe à modéliser, et il faut passer par des descriptions simplifiées pour comprendre les observations. Un travail intense est mené à l’IN2P3 pour obtenir des simulations exactes. L’usage de l’ordinateur quantique est un des axes explorés.
Énigmatique cohésion nucléaire
La force de cohésion qui lie les neutrons et les protons au sein des noyaux trouve son origine dans leurs sous constituants, les quarks, et dans l’interaction forte qui les maintient par trois et est à l 'origine de 95% de la masse des nucléons. La physique hadronique explore l’intérieur de ces nucléons. L’image ci-contre montre le résultat de la tomographie d’un proton, effectuée auprès du Jefferson Lab (Virginie, États-Unis).
Tomographie d’un proton par diffusion de photons virtuels. On observe que les quarks de valence (en bleu) sont au centre du proton.
crédits : IN2P3
En les observant dans l’Univers
Reconstituer l’histoire des éléments du cosmos
L’analyse du rayonnement des étoiles les plus lointaines du cosmos, apparues moins de 2 milliards d’années après le Big Bang, révèle qu’elles étaient essentiellement composées d’Hydrogène et d’Hélium. A cette époque, les autres noyaux plus lourds, du Lithium jusqu’à l’Uranium, n’existaient donc pas encore et la plupart se sont formés au fur et à mesure des générations d’étoiles qui se sont succédées. Les mécanismes identifiés et leur modélisation donnent une image proche, à quelques exceptions prêt de l’abondance de chaque élément dans l’Univers.
Infographie d’après Beyhan BASTIN
crédits : Image NASA/GSFC/Solar Dynamics Observatory
Faire parler les micro météorites
L’IN2P3 utilise son savoir faire instrumental pour analyser la composition chimique des micro météorites. Ces poussières de comètes ou d’astéroïdes, récupérées dans les glaces vierges des pôles, sont les témoins de la formation du système solaire et de sa composition initiale. Il en tombe plusieurs milliers de tonnes chaque années sur Terre.
@ CNRS photothèque - Une micrométéorite prélevées dans les glaces
La nébuleuse du Crabe
crédits NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)
Voir les sites de production des noyaux
Le satellite INTEGRAL, sensible aux rayons X et gamma, est, entre autre, un véritable chasseur de noyaux atomiques. Il détecte les rayonnements très spécifiques produits par ces derniers lorsqu’ils se désintègrent dans le milieu interstellaire, ou bien lorsqu’ils sont malmenés au sein des étoiles. Ces observations servent à enrichir nos connaissances sur les mécanismes de production des noyaux dans l’Univers, la nucléosynthèse.
Le satellite INTEGRAL
crédits : ESA
Identifier les noyaux voyageurs
L’observatoire Auger en Argentine participe au large inventaire des noyaux de l’Univers en identifiant ceux qui heurtent notre atmosphère. Ces noyaux ont en effet été accélérés et ont subi des réactions dans le milieu interstellaire. Leur étude vise à reconstituer les étapes de leur évolution et identifier leur origine.
