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La structure moléculaire des noyaux, une clé de l'apparition de la vie

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Tout comme les réactions chimiques possibles sont déterminées par la structure des atomes, celle de noyaux détermine les réactions de nucléosynthèse dans les étoiles. Une nouvelle percée théorique permet aujourd'hui de mieux comprendre la fabrication des éléments lourds, comme le carbone, vitale pour l'existence de l'ADN.

Sur cette image est représentée la densité de probabilité de présence dans l'espace des neutrons et protons prédite pour le noyau néon-20. On voit qu'elle n'est pas homogène : les neutrons et les protons se répartissent par paquets. La densité augmente du bleu au rouge et les distances selon les axes X et Z sont en femtomètres (fm). Un femtomètre vaut 10-15 = 0,000 000 000 000 001 mètre. © Jean-Paul Ebran, CEA

Une nouvelle vision unifiant les deux aspects noyau-liquide et noyau-molécule est révélée par une équipe de l'institut de Physique nucléaire d'Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et du CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives), en collaboration avec l'université de Zagreb. En faisant l'analogie avec les étoiles à neutrons, les chercheurs ont mis en évidence, pour la première fois, l'une des conditions nécessaires à la formation, au sein du noyau atomique, de comportements moléculaires. Ces derniers permettent notamment de comprendre la synthèse des éléments indispensables à l'apparition de la vie. Ces travaux sont publiés dans Naturele 19 juillet 2012.

Le noyau atomique est généralement décrit comme une goutte de liquide quantique de l'ordre du millionième de milliardième de mètre de diamètre. Ce comportement de type liquide explique notamment la fission nucléaire, et s'applique préférentiellement aux noyaux lourds, c'est-à-dire ceux contenant beaucoup de nucléons (les neutrons et les protons). En revanche, les noyaux légers peuvent se comporter comme de minuscules « molécules » - ou agrégats - composés de neutrons et de protons à l'échelle du noyau. Cet aspect moléculaire permet de comprendre la synthèse stellaire du carbone 12 ou d'éléments plus lourds, nécessaires à l'apparition de la vie. Jusqu'à présent, les deux visions « noyau-molécule » et « noyau-liquide » coexistaient.

Niels Bohr avait proposé le premier modèle quantique de l'atome. Il développa le modèle de la goutte liquide du noyau proposé initialement par Gamow et Heisenberg et s'en servit pour donner, avec Wheeler, la première théorie de la fission nucléaire. © Nobel Media AB 2012

Le noyau dans tous ses états

Aujourd'hui, une équipe de l'institut de Physique nucléaire d'Orsay (université Paris-Sud/CNRS) et du CEA, en collaboration avec des chercheurs de l'université de Zagreb, livre une vision unifiée de ces deux aspects. En résolvant des équations de physique quantique à l'échelle du noyau (et notamment l'équation de Schrödinger), les chercheurs ont démontré que, si un noyau léger peut présenter un comportement de type moléculaire (qui tend vers l'état cristallin), il adopte, lorsqu'il s'alourdit, un comportement de type liquide. Pour établir cette nouvelle théorie, les physiciens se sont inspirés des étoiles à neutrons. Plus on s'enfonce à l'intérieur de ces étoiles, plus on passe d'un milieu cristallin à un milieu liquide. Grâce à cette analogie, les physiciens ont identifié un mécanisme de transition de l'état liquide vers l'état cristallin du noyau.

Lorsque les interactions entre neutrons et protons ne sont pas assez fortes pour les fixer au sein du noyau, celui-ci est alors dans un état de type liquide quantique où neutrons et protons sont délocalisés. À l'inverse, dans un état cristallin, neutrons et protons seraient fixés à intervalles réguliers dans le noyau. La molécule nucléaire est interprétée comme un état intermédiaire entre le liquide quantique et le cristal. À long terme, il s'agit de comprendre de manière unifiée les différents états du noyau.