UNE BRÈVE DESCRIPTION DU NOYAU

Un atome est donc une sorte de système solaire en miniature : des mini-planètes, les électrons, tournent autour d’un mini-soleil, le noyau. La physique nucléaire, c’est l’étude du noyau atomique et de la force énorme – l’interaction forte – qui lie ses constituants, les nucléons (protons et neutrons).
Le noyau est un objet extrêmement dense, complexe et petit. Il est comme une poupée russe qui contient des poupées de plus en plus petites, des poupées gigognes : le noyau contient des nucléons, qui renferment chacun trois quarks. Il y a deux sortes de nucléons : les protons, chargés positivement et les neutrons qui sont neutres.
Dans ce minuscule volume, non seulement les protons se repoussent très fortement car ils sont porteurs de charges électriques de même signe, mais protons et neutrons dansent un vertigineux ballet à plus de 30 000 km/s (plus d’un dixième de la vitesse de la lumière, soit le tour de la Terre en 1,34 seconde) ! Pourtant, le noyau ne s’éparpille pas en gerbes de nucléons et garde sa cohésion. En son sein, une force colossale provoque une attraction entre nucléons bien supérieure à la force électrique qui sépare les protons. Cette force nucléaire ou interaction forte qui maintient la cohésion des noyaux est la plus puissante des quatre interactions ou forces fondamentales de la nature.

LA MICROCHIRURGIE DU NOYAU

C’est l’étude du noyau en tant que collection de nucléons qui bougent et s’attirent, celle des mécanismes intimes de leur attraction et de l’influence des quarks sur leurs propriétés et leur comportement. Pour cela, on sonde les noyaux avec un véritable microscalpel adapté à leurs dimensions. On utilise un faisceau de particules accélérées (voir explicatif Comment “voir” des noyaux et des particules) qui permet de regarder quelle est la proportion des particules déviées ou absorbées. Il permet aussi de voir comment réagissent les noyaux : éjection de nucléons, production d’autres particules, etc. On arrive à faire des observations extraordinaires : voir la différence entre la taille d’un proton isolé et celle d’un proton plongé dans son noyau ou encore mesurer l’influence de la rotation des quarks sur celle du nucléon qui les contient, c’est-à-dire déterminer comment trois petites toupies qui tournent perpétuellement en baignant dans une sorte de glu et enfermées dans une toupie mille fois plus grande (et pourtant si minuscule elle-même) peuvent entraîner partiellement sa rotation…

LA FOURNAISE NUCLÉAIRE

C’est l’étude “globale” du noyau en tant qu’échantillon de cette matière nucléaire très dense dont on connaît assez mal les propriétés. Pour en savoir plus, on l’étudie dans des conditions extrêmes, identiques à celles qui régnaient aux premiers instants de l’Univers. C’est donc une véritable remontée dans le temps.
La méthode consiste à précipiter les uns sur les autres des paquets de noyaux qu’on accélère jusqu’à des vitesses proches de celle de la lumière.
Les chocs sont d’une violence inouïe. La pâte nucléaire se retrouve dans des états extrêmes de température, de pression, de déformation, d’instabilité. Les noyaux se fondent les uns dans les autres, forment de nouveaux noyaux dont la plupart n’existent pas sur Terre, se fissurent, et au-dessus d’une certaine température éclatent, se vaporisent littéralement en une gerbe de nucléons. C’est une fantastique aubaine pour les physiciens car cette température n’est autre que celle en dessous de laquelle les noyaux ont pu se former lors du refroidissement de la purée primordiale issue du “Big Bang”. Ils peuvent ainsi la mesurer 15 milliards d’années plus tard.