Physique nucléaire et hadronique

 

Depuis le vide des premiers instants après le big-bang, où les particules élémentaires étaient libres, jusqu’aux noyaux lourds, on parcourt un chemin qui va du simple au complexe : en premier lieu, une soupe initiale de quarks et de gluons ; ceux-ci s’associent ensuite en particules composites, les hadrons, premières associations de particules élémentaires ; parmi ces hadrons, les nucléons (protons et neutrons) s’associent à leur tour pour former des noyaux de plus en plus lourds. L’objet de la physique du nucléon et du noyau est de comprendre les différentes étapes d’un tel chemin.

 

“Déconfiner” les particules élémentaires constituant les nucléons

À des températures supérieures à 2000 milliards de degrés, les nucléons sont susceptibles de libérer leurs constituants élémentaires, les quarks et les gluons, pour former une soupe appelée plasma de quarks et de gluons. Certains signes pouvant être caractéristiques de cette transition de phase ont été observés au Cern (Laboratoire européen de physique des particules) à Genève dans des collisions d’ions lourds relativistes (collisions plomb-plomb) à des énergies de 160 GeV par nucléon, notamment par l’expérience NA50 conduite par des physiciens français. L’étude de ce nouvel état de la matière, qui devait exister quelques millisecondes après le big-bang, se poursuit actuellement avec les détecteurs Star et Phenix installés auprès de Rhic, le collisionneur d’ions lourds du Laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis, où une nouvelle manifestation de la formation de ce plasma primordial a pu être observée. La prochaine génération d’expérience se déroulera à une énergie beaucoup plus élevée (5 TeV au LHC contre 200 GeV au Rhic) auprès du LHC au Cern avec le détecteur Alice.

 

Déduire les propriétés des nucléons à partir de celles des quarks et des gluons

Les quarks ne vont jamais seuls. Ils s’assemblent entre eux pour former des objets composites appelés hadrons, qui sont soit des baryons composés de trois quarks, dont les nucléons (protons et neutrons), soit des mésons constitués de paires quark-antiquark. Au cœur de ces particules composites, les quarks sont maintenus ensemble par les gluons, porteurs de l’interaction forte. Dans ce domaine situé à l’interface entre les constituants élémentaires et la matière nucléaire, les physiciens étudient le comportement des quarks confinés au sein des hadrons et leurs interactions, ces dernières étant décrites par la chromodynamique quantique, la théorie de l’interaction forte.

Actuellement, ce sont essentiellement des accélérateurs d’électrons qui sont utilisés pour ces études. Le lieu d’élection des physiciens français est le Thomas Jefferson national Laboratory (TJNAF) situé en Virginie, aux États-Unis, où ils participent à l’expérience G0, mais aussi l’université de Mayence avec l’expérience PVA4, ces deux expériences ayant pour objectif la mesure du contenu en quark étrange du nucléon. Ils participent également à la collaboration Hades à GSI en Allemagne qui se propose de mesurer l’effet de densité du milieu nucléaire sur la masse et le temps de vie des hadrons dans la matière, par collisions d’ions lourds à des énergies de l’ordre du GeV/nucléon.

 

Des nucléons au noyau : quelles sont les limites de la stabilité nucléaire ?

Pour expliquer le comportement des noyaux à partir des interactions entre les nucléons qui les composent et ainsi faire progresser leur connaissance du monde subatomique, l’outil de choix utilisé aujourd’hui par les physiciens nucléaires est l’exploration d’états extrêmes des noyaux. Ceux-ci sont obtenus en poussant les noyaux dans leurs derniers retranchements : en énergie d’excitation (noyaux chauds), en vitesse de rotation (noyaux superdéformés). en asymétrie dans le rapport nombre de neutrons / nombre de protons (noyaux exotiques) et en charge (noyaux superlourds).

Des noyaux chauds

Quelle est la température maximale que peut supporter un noyau ? Entre 30 et 100 milliards de degrés, une température obtenue en excitant les noyaux en énergie, ces derniers subissent un changement d’état qui s’apparente à une transition liquide-gaz et est associé à une explosion du système en de multiples fragments, cette multifragmentation conduisant, au-delà de 100 milliards de degrés, à une vaporisation complète des noyaux. Ces phénomènes sont observés lors de violentes collisions entre ions lourds. Leur étude permet de comprendre la dynamique des réactions nucléaires et les processus de transport de la matière nucléaire.

Des noyaux en rotation rapide

Lorsqu’on augmente leur vitesse de rotation, les noyaux peuvent abandonner leur forme sphérique classique au profit de formes variées. Certains d’entre eux peuvent ainsi prendre la forme d’un ballon de rugby ou d’une poire : ce sont les noyaux superdéformés. D’autres pourraient prendre des formes très allongées (hyperdéformation). L’étude des propriétés de ces noyaux fournit des informations sur les phénomènes collectifs qui agissent au sein du noyau.

Des noyaux exotiques

Quelles sont les combinaisons neutrons-protons qui conduisent à des états liés c’est-à-dire stables ? Les noyaux stables ont généralement des nombres de protons et de neutrons assez proches et la fabrication d’isotopes très enrichis ou très appauvris en neutrons conduit à l’obtention de noyaux instables. L’exploration des limites de stabilité et de cohésion de tels noyaux permet de mettre en évidence des phénomènes inconnus : ont ainsi été observés, pour des noyaux légers très riches en neutrons, des halos de neutrons (nuage de neutrons autour d’un cœur), avec le lithium 11 par exemple, des dimères nucléaires avec le béryllium 12 formé de deux noyaux à halo d’hélium 6… Elle permet aussi de mettre à l’épreuve les modèles théoriques du noyau, c’est-à-dire de mieux comprendre leur structure.
Ces noyaux exotiques n’existent pas sur terre et sont créés dans les accélérateurs. Cependant, ils ont pu exister au moment où les noyaux se formaient dans l’Univers. Leur étude joue donc aussi un rôle essentiel dans notre compréhension du cosmos et notamment de la nucléosynthèse primordiale, l’étude de la formation des éléments dans l’Univers.

Des noyaux superlourds

Quels sont les éléments liés les plus lourds ? Jusqu’où peut-on former des noyaux ? L’exploration des noyaux éloignés de la vallée de stabilité a mis en évidence le fait que certains d’entre eux sont moins instables que leurs voisins proches : cela s’explique par l’existence de “nombres magiques” correspondant à un système (le modèle en couches) où les couches sur lesquelles s’ordonnent protons ou neutrons sont fermées, c’est-à-dire qu’elles ne peuvent pas accueillir un nucléon de plus. L’existence de ces “nombres magiques” conduit à la prédiction d’un îlot de stabilité où des éléments superlourds ayant des nombres de protons supérieurs à 114 pourraient exister.

Les outils de la physique du noyau

Les outils nécessaires au développement de cette thématique sont les accélérateurs d’ions lourds qui produisent des faisceaux de quelques MeV à 100 MeV/nucléon.
La physique de la superdéformation est étudiée avec le détecteur Euroball qui a fonctionné à Legnaro en Italie puis à Strasbourg auprès du Vivitron, un accélérateur électrostatique de particules chargées qui a été l’outil principal de ces recherches jusqu’en 2003.
Noyaux exotiques, superlourds et chauds sont produits et étudiés en France au Ganil, le Grand accélérateur national d’ions lourds à Caen. Son accélérateur Spiral, qui fournit et accélère des faisceaux d’ions exotiques depuis 2001, a ouvert la voie à un ensemble d’expériences qui permettent d’explorer encore plus profondément la structure du noyau et les mécanismes de ses réactions. Alliés aux détecteurs existants (comme Exogam) ou en construction (Agata), Ganil et Spiral forment aujourd’hui un outil unique au monde dans ce champ de recherche. Seule une fraction limitée d’espèces rares (principalement des noyaux légers) étant accessible à des intensités suffisantes avec Spiral, une extension tant de la gamme des ions exotiques produits, notamment vers les noyaux moyens et lourds, riches en neutrons, que des intensités accessibles, a été entreprise dans le cadre du projet Spiral2.