Les atomes exotiques sont des analogues des atomes mais formés en utilisant d'autres particules que les protons et les électrons. Ici, une représentation d'atomes. © Leigh Prather, Shutterstock

Sciences

Un atome sans proton ni électron créé par le Cern

ActualitéClassé sous :lhc , Dirac , méson pi

Les atomes exotiques sont des analogues des atomes mais formés en utilisant d'autres particules que les protons et les électrons. Ils sont produits avec des accélérateurs. Le Cern vient d'annoncer la création de 300 de ces atomes constitués de mésons pi et K chargés, liés par la force électromagnétique. C'est une première.

Cela fait des décennies que les physiciens créent et étudient ce que l'on appelle des atomes exotiques, c'est-à-dire des états liés de particules, dont l'une au moins n'est pas un électron ou un noyau d'atome.

Le plus connu des atomes exotiques est sans doute l'atome muonique. Il s'agit d'un atome ordinaire dans lequel un électron a été remplacé par son cousin plus lourd, le muon. De tels atomes ont été proposés à la fin des années 1940 et au début des années 1950 par Andrei Sakharov, F. C. Frank, Ya. B. Zel'dovitch et Luis W. Alvarez.

En remplacement des électrons dans des atomes d'hydrogène et, surtout, de deutérium et de tritium, les muons permettent, théoriquement, de faciliter les réactions de fusion. Malheureusement, ils sont difficiles à produire et ne vivent qu'une fraction de seconde. Plus récemment, l'étude des atomes muoniques a révélé un problème avec la taille du proton qui défie la physique standard.

Une vue de l'expérience Dirac au Cern. Grâce à celle-ci, des physiciens viennent de créer des atomes exotiques formés de mésons pi et de mésons K. © Cern, Patrice Loïez

Des atomes exotiques pour étudier forces et particules fondamentales

Les autres atomes exotiques connus font partie d'une classe appelée « onium ». Ils sont constitués d'une particule et de son antiparticule, comme par exemple le positronium, le muonium ou le bottomium. Les physiciens ont aussi fabriqué des atomes hypernucléaires, dans lesquels un des nucléons du noyau est remplacé par un hypéron, un hadron lourd instable, et aussi des atomes mésiques avec un des électrons remplacé par un méson pi chargé négativement. Toutes ces expériences ont avant tout pour but de tester nos théories sur les forces nucléaires et la force électromagnétique ainsi que celles sur le comportement des particules élémentaires que sont les quarks et les leptons.

Les membres de l'expérience Dirac - pour Dimeson Relativistic Atom Complex en anglais, qui signifie « Complexe atomique relativiste de di-mésons » -, au Cern, étudient notamment les atomes pioniques formés de mésons pi chargés négativement et positivement. Comme pour les autres atomes exotiques, ils sont instables mais on peut s'en servir pour mieux comprendre la théorie des quarks et leur comportement dans les hadrons à basses énergies, qui est bien plus difficile à appréhender que dans des collisions à hautes énergies. On peut s'en convaincre avec les difficultés rencontrées pour calculer la masse du proton et du neutron.

Les physiciens du Dirac viennent de mettre en ligne un article sur arXiv dans lequel ils annoncent avoir fabriqué et étudié pour la première fois des atomes exotiques formés de mésons pi et de mésons K, là aussi liés par la force électromagnétique. Ces hadrons sont créés par des collisions de faisceaux de protons accélérés par le synchrotron à protons (PS) du Cern, avec les nucléons de noyaux métalliques.

LHC : comment fonctionne le plus grand accélérateur de particules ?  À cheval entre la France et la Suisse, le Grand collisionneur de hadrons permet actuellement de faire des collisions de protons à une énergie de 13 TeV (téraélectronvolts). Découvrez le fonctionnement de cet impressionnant outil en vidéo grâce au Cern.