Dossier | Recherche fondamentale | Les faces cachées du noyau
Avis de tempête sur la vallée (3/7)
La magie des noyaux n’opérerait-elle plus ? Plus les chercheurs s’éloignent de la vallée, plus il leur devient difficile d’expliquer la solidité du noyau.
Mis à jour en septembre 2006
Les faces cachées du noyau
Comme monsieur Tout-le-Monde, « le physicien cherche ses clés, là où il y a de la lumière », rappelle Philippe Chomaz, ingénieur-chercheur au Ganil. Il est donc logique que les études partent souvent du plus connu. Pour les noyaux, ce terrain conquis se nomme « vallée de la stabilité », un havre de quiétude au fond duquel les isotopes stables coulent des jours paisibles, par opposition aux noyaux instables, plus capricieux, qui en peuplent les flancs. La vallée de la stabilité tire son nom d’une carte recensant tous les isotopes possibles en fonction du nombre de leurs protons et de leurs neutrons. En allant vers le nord, on rencontre ainsi des éléments dont le nombre de protons est de plus en plus élevé, vers l’est des isotopes de plus en plus lourds. Au nord-est s’ouvre enfin la fameuse vallée, axée autour des 250 noyaux stables de l’univers, présents en abondance sur terre. Par leurs caractéristiques, ce sont les valeurs sûres de la physique nucléaire. Chacun de ces noyaux comprend à peu de chose près le même rapport du nombre de protons et de neutrons. Leur cohésion est maintenue par une forte énergie de liaison. Enfin, avec 0,15 nucléon par fermi cube, la densité dans ces noyaux est pratiquement toujours la même. La vallée de la stabilité est d’autant plus importante que c’est sur sa connaissance que s’appuient les modèles actuels du noyau. Une fois la vallée bien défrichée, les physiciens sont partis découvrir les contrées avoisinantes, celles des noyaux instables (ou radioactifs). Parmi ceux-là, quelques-uns, comme l’uranium 238 ou 235, abondent sur notre planète et ont pu être étudiés depuis les débuts de la physique nucléaire. D’autres ne s’y trouvent pas : ce sont les noyaux exotiques présents, pour certains, dans les étoiles. À ce jour, environ 2 000 de ces mystérieux objets ont pu être synthétisés. Ce sont ceux qui forment les contreforts de la vallée comme l’oxygène 24, le nickel 68 ou l’hélium 6. Quant aux 3 000 à 5 000 qui restent à découvrir au-delà, ils représentent ce que les chercheurs appellent, à juste titre, la Terra incognita. Les magiques dans la tourmente Les chercheurs devront-ils revoir l’ensemble de leurs connaissances sur la solidité des 2 000 noyaux connus ? Depuis quelque temps, en effet, une poignée d’entre ces derniers, parmi lesquels le nickel 48, le magnésium 32 ou l’oxygène 28, sapent la théorie. Au point de menacer aujourd’hui tout l’édifice patiemment construit par les scientifiques depuis les années 1950. Les physiciens pensaient, pourtant, que les lois fixant la robustesse du coeur de l'atome étaient bien établies. Selon ces règles, la résistance d’un noyau varie avec sa composition. Elle est particulièrement élevée pour des quantités particulières de nucléons : 2, 8, 20, 28, 50, 82 protons ou neutrons et 126 neutrons. Historiquement identifiés à partir de l'étude des noyaux stables, donc non radioactifs, existant à profusion sur notre planète, ces nombres, dits « magiques », ont depuis été généralisés aux exotiques par les spécialistes. Au point que ceux-ci les emploient, souvent avec succès, pour évaluer la solidité d'un noyau avant de le synthétiser. Mais depuis quelque temps, rien ne va plus chez les exotiques. Certains petits nouveaux refusent de se plier aux conventions de la numérologie nucléaire ! Premier à avoir osé défier les règles de « magi cité » : le magnésium 32. Malgré ses 20 neutrons, un nombre considéré comme magique, ce noyau n’a jamais affiché la solidité attendue. Les chercheurs ont depuis constaté qu’il n’est pas le seul rebelle. Il y a deux ans, une expérience menée au Ganil a ainsi démontré la déconcertante fragilité de l’oxygène 28. Double magique – 8 protons et 20 neutrons –, il est en principe très résistant. Dans la pratique, il n’a jamais été observé car trop éphémère sans doute. Au fil des recherches, la magie de la couche à 20 neutrons a été de plus en plus remise en cause chez les noyaux ayant un faible nombre de protons. Les empêcheurs de tourner en rond
Pour Olivier Sorlin, il n’y a pas de doute. La confusion qui règne chez les nombres magiques aurait pour principale origine « des interactions entre protons et neutrons ; une donnée sous-estimée dans les modèles précédents ». Si cette piste se confirme, la prise en compte de toutes ces influences risque de remettre en question les nombres magiques nucléaires. Situé dans la limite où les forces nucléaires cessent d’être capables de lier entre eux tous les protons et les neutrons, le nickel 48 devait être très fragile. Or, il y a trois ans, des résultats obtenus au Ganil font entrer ce noyau dans le club des empêcheurs de tourner en rond. En effet, avec 10 neutrons de moins que le nickel stable, le nickel 48 avait en théorie peu de chance de vivre longtemps, voire d’exister au départ. Et pourtant, les chercheurs ont réussi à l’observer. Le mystère de la solidité du noyau a encore de beaux jours devant lui… |
