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Au Cern, Isolde observe des noyaux exotiques en forme de poire

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Fidèle à son objectif initial, le Cern, dont l'acronyme correspondait à l'origine à « Conseil européen pour la recherche nucléaire », ne se contente pas de chasser les bosons de Higgs et les particules de matière noire. On y mène toujours des expériences de physique nucléaire, comme le prouvent les chercheurs travaillant avec Isolde (Isotope Separator On Line DEvice). Ils se penchent par exemple sur les mystères des noyaux exotiques déformés.

Isolde est une section du Cern dédiée à la production de faisceaux de noyaux radioactifs utilisés pour un certain nombre d'applications couvrant la physique nucléaire, atomique, moléculaire et à l'état solide, mais aussi la biophysique et l'astrophysique. La grande variété de noyaux disponibles permet l'étude systématique des propriétés atomiques et nucléaires. On voit ici un détecteur de rayons gamma utilisé dans les expériences sur les noyaux exotiques. © Cern

Après avoir découvert les lois fondamentales de la mécanique quantique au cours des années 1920, les physiciens vont tenter de s'en servir pour explorer le monde des noyaux. Au début des années 1930, des modèles commencent à être découverts pour décrire tant leur structure que les forces nucléaires liant protons et neutrons. Les bases théoriques de la physique nucléaire sont alors posées par Heisenberg, Majorana, Fermi, Gamow et Yukawa. Les mésons et les neutrinos font leur apparition et la théorie des groupes de symétrie commence à prouver son efficacité pour explorer ces nouveaux territoires.

Georges Gamow est le premier à émettre l'hypothèse que les noyaux peuvent être décrits comme des gouttes de liquide mais c'est Niels Bohr qui va vraiment développer cette idée à partir de 1936. Il s'en servira en 1939 avec John Wheeler pour établir la théorie de la fission nucléaire. Le noyau est alors conçu comme une sorte de fluide chargé visqueux composé de nucléons liés par les forces nucléaires et de protons se repoussant par la force électromagnétique. Il peut être chauffé, s'évaporer et sa surface peut osciller comme celle d'une goutte d'eau. Il peut donc prendre des formes d'équilibre variées, comme celles d'un ellipsoïde, d'une sphère ou plus compliquées encore.

À la fin des années 1940, un nouveau modèle sera introduit par Maria Goeppert-Mayer et Hans Jensen prolongeant les travaux d'Eugène Wigner. Il s'agit du modèle en couches qui suppose que les nucléons se répartissent sur des niveaux d'énergies discrets, très similaires à ceux associés aux orbites des électrons dans les atomes. Ces deux modèles en apparence contradictoires seront conciliés dans les années 1960 par Aage Bohr, le fils de Niels Bohr, et Ben Mottelson. Ils établissent ce que l'on appelle le modèle collectif qui leur vaudra le prix Nobel de physique en 1975.

La curieuse forme d'un noyau de radium 224 dont les dimensions sont d'une dizaine de femtomètres (unité de mesure de longueur valant 10-15 m). Les couleurs passant du bleu au rouge indique la position de la surface de cet isotope selon l'axe perpendiculaire au plan qui serait celui de l'écran. © Isolde, Cern

L'histoire des modèles des noyaux ne s'arrête pas là et elle va continuer jusqu'à nos jours, accélérée par la montée en puissance des ordinateurs à partir des années 1970. Elle va permettre le développement des modèles à N corps de Hartree-Fock et Bogolioubov. Les découvertes expérimentales en physique nucléaire vont se poursuivre aussi comme le prouve la confirmation récente de la découverte de l'élément 117, même si l'âge d'or de cette physique correspond tout de même à la période allant des années 1930 aux années 1950.

Un autre exemple de la poursuite des travaux sur la structure des noyaux vient d'être donné par une équipe internationale de physiciens travaillant avec Isolde (Isotope Separator On Line DEvice) du Cern. Ils viennent de publier dans Nature les résultats de leurs recherches sur la forme de noyaux des isotopes de radium 224 et de radon 220, considérés comme exotiques.

Des moments électriques dipolaires pour de la nouvelle physique

Les modèles nucléaires prédisent que la majorité des noyaux ont une forme en ballon de rugby. Mais pour certaines proportions de protons et de neutrons, on obtient des formes asymétriques ressemblant à celle d'une poire. Le radium 224 et le radon 220 sont dans ce cas. Il était jusqu'à présent difficile de vérifier ces prédictions mais une nouvelle technique a pu être mise en œuvre avec les instruments d'Isolde. Les isotopes de radium 224 ont bel et bien présenté une forme de poire. Mais à la surprise des physiciens, ce ne fut pas le cas des isotopes de radon 220. Instables comme ceux du radium, les noyaux de radon 220 se comportent comme si leur forme vibrait autour de celle d'une poire, en contradiction avec les modèles théoriques.

Cette découverte a bien sûr des implications concernant les propriétés exactes des forces nucléaires entre les nucléons qui sont les équivalents pour la QCD des forces de van der Waals résiduelles entre atomes. Mais ce que cherchent avant tout les chercheurs c'est se servir des noyaux exotiques pour tenter de découvrir une physique au-delà du modèle standard. En effet, la distribution exotique de charges électriques positives des protons dans ces isotopes en forme de poire a des répercussions sur la distribution globale de charges électriques totale de l'atome. Elle peut en altérer le moment électrique dipolaire.

Tout comme avec l'électron ou le proton, on cherche des écarts aux prédictions du modèle standard pour ces moments électriques. Il se trouve que les atomes avec des noyaux en forme de poire permettraient d'exhiber plus facilement ces écarts, du moins si ces effets existent. Il importait donc de mieux connaître la forme de ces noyaux pour, avec eux, ouvrir peut-être un jour une fenêtre sur de la nouvelle physique.