La diversité des rayonnements

L’homme est exposé à toutes formes de rayonnements naturels provenant du sol, de l’espace, du Soleil, et même dans son propre corps.

Publié le 1 juillet 2014


Soleil, espace, éléments radioactifs… Les sources de rayonnement sont multiples.

NOTRE MONDE, UN BAIN DE RAYONNEMENTS
L’homme est exposé aux rayonnements depuis son apparition sur Terre. Il est, par exemple, exposé aux rayonnements solaires, c’est-à-dire à la lumière visible provenant du Soleil, laquelle s’accompagne de rayonnements invisibles. Ce sont des ondes électromagnétiques : les rayons gamma, les rayons X, les ultraviolets, les infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio. L’atmosphère agit comme un filtre et certains n’atteignent pas la surface terrestre.
L’homme est également exposé à d’autres rayonnements invisibles qui proviennent de l’espace et du Soleil, connus sous le nom de rayonnements cosmiques. Ces rayonnements de très grande énergie (ondes et particules) sont capables de traverser d’épaisses couches de roches.

Le pouvoir pénétrant des rayonnements ionisants est variable selon leur nature.
Des rayonnements aux multiples facettes : pour le traitement d’objets d’art, la radiographie et dans un réacteur nucléaire.


© P.Allard/REA/CEA
Dans la nature, la plupart des noyaux d’atome sont stables, d’autres non. Ces derniers se transforment alors spontanément, et de façon irréversible, en d’autres atomes plus stables. Ces transformations successives, appelées désintégrations, s’accompagnent d’émissions de différents types de rayonnements : alpha, bêta et gamma (voir le dossier pédagogique sur la radioactivité). Les rayonnements gamma sont des ondes électromagnétiques tandis que les rayonnements alpha et bêta sont des particules, respectivement un noyau d’hélium et un électron.
L’activité d’un élément radioactif, c’est-à-dire le nombre de désintégrations par seconde dans une certaine masse de cet élément, est mesurée en becquerels. Parmi les rayonnements particulaires existent aussi les neutrons.



LES DIFFÉRENTS RAYONNEMENTS IONISANTS
Les rayonnements les plus énergétiques transfèrent assez d’énergie aux électrons de la matière pour les arracher de leur atome. Les atomes ainsi privés de certains de leurs électrons sont alors chargés positivement. Les atomes voisins qui accueillent les électrons se chargent négativement. Les atomes chargés positivement ou négativement sont appelés ions. Les rayonnements capables de provoquer de telles réactions sont dits ionisants (voir schéma ci-dessus).
Les rayonnements ionisants regroupent :
*         les rayonnements cosmiques,
*         les ondes électromagnétiques les plus énergétiques, soit les rayonnements X et gamma.

Les rayons X peuvent être produits par un faisceau d’électrons envoyé sur une cible métallique. Ces électrons interagissent avec les électrons des atomes du métal, en émettant des rayons X.

Lors de leur désintégration, les atomes radioactifs émettent des rayons gamma.

Les différents rayonnements

La radioactivité au quotidien

Le synchrotron

*         les rayonnements alpha, bêta plus et bêta moins (particules émises par des atomes radioactifs lors de leur désintégration),
*         les neutrons libres qui sont surtout présents dans les réacteurs nucléaires ; ils sont émis, par exemple, lors de la fission d’atomes d’uranium 235 (voir le dossier pédagogique sur le fonctionnement d’un réacteur nucléaire). Ils sont indirectement ionisants car c’est leur capture par les noyaux ou leur interaction avec ceux-ci qui génère des rayonnements gamma et/ou diverses particules. Les neutrons sont aussi présents aux altitudes de vol des avions longs courriers et subsoniques : ils participent à 30 % de la dose reçue par le personnel navigant.
*        
Les autres rayonnements sont appelés rayonnements non ionisants et comprennent les ondes électromagnétiques les moins énergétiques.
Pouvoir de pénétration des rayonnements ionisants
*         Particules alpha. Pénétration très faible dans l’air. Une simple feuille de papier est suffisante pour arrêter les noyaux d’hélium.
*         Particules bêta moins : électrons. Pénétration faible. Parcourent quelques mètres dans l’air. Une feuille d’aluminium de quelques millimètres peut arrêter les électrons.
*         Rayonnements X et gamma. Pénétration très grande, fonction de l’énergie du rayonnement : plusieurs centaines de mètres dans l’air. Une forte épaisseur de béton ou de plomb permet de s’en protéger.
*         Neutrons. Pénétration dépendante de leur énergie. Une forte épaisseur de béton, d’eau ou de paraffine arrête les neutrons.


LA PÉNÉTRATION DES RAYONNEMENTS DANS LA MATIÈRE
Par leur énergie, les rayonnements ionisants sont pénétrants, c’est-à-dire qu’ils peuvent traverser la matière. Cependant, le pouvoir de pénétration est différent pour chacun d’entre eux, ce qui définit des épaisseurs différentes de matériaux pour se protéger.

Au coeur de cette piscine de réacteur, la décroissance des noyaux radioactifs libère des électrons à une vitesse supérieure à celle de la lumière de l’eau, produisant l’effet Tcherenkov. © G.Lesénéchal/CEA
Mentionnons que les positons (rayonnements bêta plus) sont pratiquement absorbés sur place : un positon s’annihile avec le premier électron rencontré sur son passage en formant deux photons gamma, ce qui ramène le problème au cas du rayonnement gamma (voir schéma ci-dessus).


L'ÉNERGIE ABSORBÉE PAR LA MATIÈRE
Lorsqu’un rayonnement pénètre la matière, il interagit avec elle et lui transfère de l’énergie. La dose absorbée par la matière caractérise ce transfert d’énergie.
L’unité de dose absorbée par la matière est le gray (Gy) qui est équivalent à un joule absorbé par kilogramme de matière (voir le dossier pédagogique sur l'énergie).

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FONDAMENTAL

Question de la semaine : C'est quoi le Boson de Higgs ?

Par Azar Khalatbari le 10.08.2018 à 16h09

Chaque semaine, Sciences et Avenir répond à une question posée par ses lecteurs. Cette semaine, retours sur une découverte phare : celle du Boson de Higgs.

AFP
"Mais bordel, c'est quoi le boson de Higgs ?" nous demande avec enthousiasme Leonard Bertos sur la page Facebook de Sciences et Avenir.


En fait, cela est bien plus simple qu'il n'y paraît. En juillet 2012 le Cern annonçait la découverte du "boson de Higgs", une particule dont l’existence avait été supposée en 1964 par trois chercheurs, deux Belges François Englert et Robert Brout, et puis indépendamment par l’Ecossais Peter Higgs, même si l’histoire n’a retenu que le nom de ce dernier.
Pour résumer sa fonction, il a souvent été dit que " Le boson de Higgs est responsable de la masse de tout ce qui nous entoure ", un raccourci qui nécessite d’être décrypté.  Si les objets qui nous entourent ont une masse, c’est parce que les particules qui les composent, ont interagi, dans un passé lointain avec le champ de Higgs : les électrons, mais aussi les quarks qui rentrent dans la composition des nucléons -proton et neutron. Cela ne nous surprend plus car nous sommes très habitués à ce que les objets qui nous entourent possèdent une masse.


Qu'est ce que le Boson de Higgs

Selon le modèle standard, la particule ainsi piégée au Cern a existé pendant les premières fractions de seconde après le Big-Bang soit lorsque l’Univers était âgé de 10-10 seconde et la température frôlait les 1015 degrés. Avec le LHC, le grand collisionneur à Hadrons de l’institution européenne, les physiciens ont pu créer exactement ces conditions. Dans cet univers extrêmement chaud et dense des débuts, le boson BEH a pu se matérialiser  et décroître aussitôt en se désintégrant en un ensemble de particules d’énergie bien précise. Leur détection est une preuve indirecte de sa présence.

Le chaînon manquant
La découverte du BEH annoncée en juillet 2012 permet de valider l’ensemble du modèle standard. Selon ce modèle, aujourd’hui dans l’Univers tous les phénomènes qui nous entourent, sont l’œuvre de quatre interactions fondamentales : la gravité explique la chute des corps et la ronde des planètes, la force électromagnétique est à l’origine de la lumière et de l’aimantation, l’interaction faible explique la radioactivité de certains noyaux atomique tandis que l’interaction forte explique la cohésion même du noyau de l’atome. Pourquoi quatre forces ? Les physiciens ne le savent pas encore, mais pour bon nombre d’entre eux, dans les toutes premières fractions de seconde de l’Univers, une seule et même force régissait l’Univers tout entier. C’est la Théorie du tout que certains cherchent à reconstituer.

Unifier les forces
Sur ce chemin, un pas important a été franchi en 1960 : Sheldon Glashow, Abdus Salam et Stephen Weinberg, qui ont été tous les trois lauréats du prix Nobel de physique 1979, ont réussi à démontrer que lorsque la température de l’Univers était de l’ordre de 1018  degrés, la force électromagnétique et la force "faible" étaient unifiées sous le nom de l’interaction électrofaible. Or, la force électromagnétique se manifeste par l’émission d’une particule sans masse, le photon- tandis que les particules médiatrices, W et Z sont massives.

Que s’est-il donc passé, pour qu’à un moment donné de l’histoire de l’Univers, la force électrofaible disparaisse en donnant naissance à deux forces aussi différentes ? C’est pour répondre à cette question que l’hypothèse du boson de BEH a été formulée. Avant son existence, les particules étaient dénuées de masse, après interaction avec le BEH , elles ont acquis une masse. Ainsi le mécanisme qui a donné naissance au boson de BEH est à l’origine de la masse dans l’Univers … Le Cern a donc trouvé la recette du boson.. reste encore à déterminer minutieusement ses propriétés … C’est à cette tâche que vont s’atteler les physiciens maintenant.

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Les déchets radioactifs

Publié le 27 janvier 2015


On appelle déchet radioactif toute matière radioactive qui ne peut plus être ni recyclée ni réutilisée. Du fait de leur radiotoxicité, potentiellement dangereuse pour l’homme et pour l’environnement, les déchets radioactifs sont gérés de façon spécifique. Cette gestion est encadrée par la Loi. 90 % des déchets radioactifs (en volume), produits en France, disposent déjà d’une filière de gestion en stockage ultime. Les déchets de haute activité et de moyenne activité à vie longue (HA et MA-VL) n’ont pas encore de filières définitives de stockage. Ils sont conditionnés et entreposés par leurs producteurs, dans l’attente d’un site de stockage définitif.

DÉCHETS RADIOACTIFS : DÉFINITION

Les déchets radioactifs sont d’une grande diversité : éléments issus des combustibles usés des centrales nucléaires et des activités Défense pour la force de dissuasion, matériaux issus du démantèlement d'installations nucléaires, éléments radioactifs à usage industriel (techniques de contrôle de fabrication, stérilisation) ou médical (imagerie, radiothérapie), éléments issus de la recherche nucléaire…
En France, les déchets radioactifs sont classés selon deux critères :
*         Leur durée de vie, calculée en fonction de la « période radioactive » des radioéléments contenus : la période est le temps au bout duquel la quantité d’un même radionucléide est divisée par deux. Elle varie, selon les radionucléides, de quelques jours à plusieurs milliers d’années. On parle de déchets à vie courte (VC), quand la période est inférieure à 31 ans, et de déchets à vie longue (VL) au-delà.
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*         Leur niveau de radioactivité, exprimé en becquerels : cela correspond au nombre de désintégrations d’atomes par seconde. On parle de déchets de très faible activité (TFA), faible activité (FA), moyenne activité (MA) ou haute activité (HA).


Les différentes catégories de déchets radioactifs
En fonction de ces deux critères, il existe 5 catégories de déchets radioactifs :
*         Les déchets de très faible activité (TFA) issus principalement du démantèlement des installations nucléaires : gravats, bétons, ferrailles. Leur radioactivité décroit de manière significative en une dizaine d'années. Ils représentent 27% du volume des déchets radioactifs produits en France et contiennent moins de 0,01% de la radioactivité de l’ensemble des déchets.

*         Les déchets de faible et moyenne activité à vie courte (FMA-VC) : il s'agit essentiellement des déchets liés à la maintenance des installations nucléaires. Une partie provient aussi des hôpitaux ou des laboratoires de recherche. Ce sont des objets contaminés comme des gants, des filtres, des résines… Leur radioactivité décroit de manière significative en 300 ans environ. Les déchets FMA-VC constituent 63% du volume des déchets radioactifs, pour 0,02% de leur radioactivité.
*        
*         Les déchets de faible activité à vie longue (FA-VL) : cette catégorie couvre les déchets radifères (contenant du radium) provenant de minéraux utilisés dans certaines industries et les déchets de graphite issus du démantèlement des réacteurs nucléaires de 1ère génération. Les déchets FA-VL constituent 7% du volume des déchets radioactifs, pour 0,01% de leur radioactivité. 

*         Les déchets de moyenne activité à vie longue (MA-VL), issus du traitement des combustibles usés des centrales nucléaires : structures qui entourent les combustibles usés (coques et embouts) et effluents liquides issus du procédé de retraitement. Les déchets MA-VL constituent 3% du volume des déchets radioactifs, pour 4% de leur radioactivité.

*         Les déchets de haute activité à vie longue (HA-VL) correspondent aux déchets issus du traitement des combustibles nucléaires usés : ils contiennent les « produits de fission » et les « actinides mineurs » formés par les réactions nucléaires dans le combustible lors de son séjour en réacteur. Leur durée de vie peut s'étendre sur plusieurs milliers, voire plusieurs millions d'années. Ils ne représentent que 0,2% du volume des déchets radioactifs mais 96% de la radioactivité totale des déchets radioactifs en France.



ENJEU :
ASSURER UNE GESTION DURABLE
DES DÉCHETS RADIOACTIFS

Les déchets radioactifs contiennent des radionucléides potentiellement dangereux pour l’homme et pour l’environnement. Ils doivent donc être gérés de manière spécifique tout au long de leur durée de nuisance potentielle : inventaire et collecte des déchets radioactifs, conditionnement adaptés, solutions de stockage sûres et pérennes.
Juridiquement, les grands principes de gestion des déchets radioactifs sont indiqués par la loi du 28 juin 2006 relative à la gestion durable des matières et déchets radioactifs.
Ces principes sont les suivants :
*         protection de la santé des personnes et de l’environnement ;
*         réduction de la quantité et de la nocivité des déchets radioactifs ;
*         prévention ou limitation des charges supportées par les générations futures ;
*         principe pollueur-payeur qui prévaut en droit de l’environnement.

L'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) est l’organisme chargé de trouver, mettre en œuvre et garantir des solutions de gestion sûres pour l’ensemble des déchets radioactifs français.
Renouvelé tous les 3 ans, le plan national pour la gestion des matières et des déchets radioactifs (PNGMDR) constitue l’outil privilégié pour mettre en œuvre ces principes. Par ailleurs, tous les 3 ans, un inventaire complet des matières et des déchets radioactifs est réalisé et publié par l’Andra.
Aujourd’hui, 90 % des déchets nucléaires (en volume) produits en France disposent déjà d’une filière de gestion en stockage ultime. L’Andra dispose de centres dédiés de stockage et peut ainsi les gérer de façon industrielle : les déchets de très faible activité (TFA) sont stockés sur le site de Morvilliers (Aube), les déchets de faible et moyenne activité à vie courte (FMA-VC) sont stockés en surface sur le centre de Soulaines (dans l’Aube également).
Pour les déchets FA-VL, une démarche de recherche de site de stockage est conduite par l’Andra depuis 2008. En attendant la création d'un centre pouvant les accueillir, les déchets FA-VL sont entreposés dans des installations spécifiques, le plus souvent sur le lieu même où ils sont produits.
Enfin, les déchets de haute activité (HA) et de moyenne activité à vie longue (MA-VL) n’ont pas non plus de filière définitive de stockage. Dans l’attente d’un site de stockage définitif, ils sont conditionnés et entreposés dans des installations ad hoc par leurs producteurs, principalement à La Hague (Manche), Marcoule (Gard), Cadarache (Bouches-du-Rhône) et Valduc (Côte-d’Or). À terme, ils devraient être stockés sous terre, dans des formations géologiques de grande profondeur. C’est le projet Cigéo (Centre industriel de stockage géologique pour les déchets) de l’Andra, qui fait l’objet d’un débat public durant l’année 2013.

LES RECHERCHES SCIENTIFIQUES
SUR LES DÉCHETS RADIOACTIFS
La gestion des déchets radioactifs s’inscrit dans une démarche de progrès continu. Elle fait donc l’objet de programmes de R&D importants depuis la fin des années 1950, le but étant de minimiser la quantité de déchets, de concentrer la radioactivité et de garantir le confinement dans des conditions sûres.
Les déchets HA et MA-VL font l’objet de programmes de recherches particuliers dont les grandes orientations sont fixées par la loi du 28 juin 2006.
Cette loi définit trois axes de recherche et d’études complémentaires :
*         La séparation/transmutation des actinides mineurs, sous la responsabilité du CEA : il s’agit d’isoler puis de transformer les éléments les plus radiotoxiques en les « transmutant » en d’autres éléments moins radiotoxiques et à vie plus courte. Ces recherches sont menées par le CEA en lien avec celles menées sur les réacteurs nucléaires à neutrons rapides de 4ème génération, capables de réaliser la transmutation. Le CEA a coordonné les travaux de recherche menés par les établissements publics (Andra, CEA, CNRS, Universités) et leurs partenaires industriels (Areva, EDF) afin d’évaluer les perspectives industrielles des technologies étudiées. Un dossier sur le résultat de ces travaux a été remis au gouvernement fin 2012.


Le stockage en formation géologique profonde (projet Cigéo en Meuse / Haute-Marne), sous la responsabilité de l’Andra : le stockage des déchets de haute et moyenne activité à vie longue en formation géologique profonde est retenu par la loi comme solution de référence. Cet axe de recherche correspond au projet Cigéo de l’Andra. Dans le domaine de la R&D, le CEA y contribue avec des études notamment sur le comportement à long terme des colis de déchets en milieu géologique profond et sur la migration des radionucléides dans les couches géologiques.

Le 3ème axe d’étude porte sur l’entreposage des déchets radioactifs HA et MA-VL en attente d’une solution de gestion définitive. Il est aussi confié à l’Andra. Le CEA a contribué à des études de conception de ces installations d’entreposage.

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L'ATOME

Le noyau atomique, un autre monde, une autre physique


Différentes modélisations des noyaux atomiques se sont succédées et complexifiées au cours des dernières décennies afin de mieux expliquer les observations de plus en plus variées et précises que les avancées techniques ont permis.
Publié le 1 juillet 2014


DESCENTE DANS L'ÉLÉMENTAIRE

Si l’échelle des atomes et de leur nuage électronique est le nanomètre (10-9m), celle des noyaux atomiques et des nucléons est le femtomètre (10-15m). La taille des particules aujourd’hui considérées comme élémentaires est de l’ordre de 10-18 mètres.
Le noyau est un objet extrêmement dense, complexe et petit. Il est comme une poupée russe qui contient des poupées gigognes de plus en plus petites. On a longtemps pensé que les protons et les neutrons étaient des particules élémentaires, c’est-à-dire qu’elles n’avaient aucune structure interne. Cependant, dans les années 1950 et 60, les observations faites avec des accélérateurs de particules, qui augmentaient régulièrement de taille et de puissance, montrèrent que de très nombreuses particules apparaissaient à l’issue des collisions.
Cette diversité a été interprétée en supposant qu’elles étaient composées de constituants encore plus petits, baptisés quarks. Les nucléons contiennent des quarks up et down qui s’assemblent par groupe de 3 grâce à l’interaction forte. Les quarks sont des fermions (comme les électrons) ; on en connaît actuellement six, répartis en trois générations. Ils interagissent attractivement en échangeant des gluons qui sont des bosons. En plus d’une charge électrique égale à -1/3e ou 2/3e, ils portent une autre charge appelée couleur : bleu, vert
ou rouge. Il ne s’agit pas de véritables couleurs mais d’un code obéissant à une logique ternaire ressemblant à celle de l’interaction forte.

En physique nucléaire, tout ou presque reste à découvrir.


STABILITÉ DES NOYAUX ATOMIQUES
La vallée de la stabilité

Les noyaux atomiques sont classés sous la
forme d’une carte qui décrit une vallée de
stabilité dont le fond est peuplé par les noyaux stables. L’évolution des noyaux instables, des hauteurs de la vallée vers le fond, illustre les différents types de radioactivité.

 
La décroissance radioactive
L’activité d’un échantillon radioactif (qui s’exprime en becquerels) diminue avec le temps du fait de la désintégration progressive des noyaux instables qu’il contient. Pour chaque isotope radioactif, et pour chacun des processus de désintégration qu’il peut connaître, on définit le temps de demi-vie, ou période radioactive, comme étant la durée au bout de laquelle la moitié des atomes radioactifs initialement présents a spontanément réagi. Selon les noyaux radioactifs concernés, cette période est très variable : cela peut aller de quelques millisecondes à plusieurs milliards d’années !

 
Composés de Z protons et de N neutrons, les noyaux atomiques doivent leur cohésion à l’interaction nucléaire forte. Elle se manifeste par l’échange de mésons π entre nucléons, comme l’avait imaginé Hideki Yukawa dès 1935 (1er physicien japonais à recevoir, grâce à cette prédiction, le prix Nobel de physique en 1949). Plus tard, on comprendra que les mésons π sont constitués d’un quark et d’un antiquark de la même famille.
Neutrons et protons se répartissent l’énergie du noyau et se trouvent animés de mouvements très rapides.
L’assemblage de nucléons peut être stable (on connaît 256 noyaux stables pour 80 éléments) ou instable (près de 3 000 noyaux). On définit, pour chacun de ces noyaux instables, un temps de demi-vie, ou période radioactive T, au bout duquel la moitié des noyaux s’est désintégrée. Les noyaux instables cherchent à revenir à un état stable, via une chaîne de désintégrations. Ainsi, le césium (période 1,2 s) devient néodyme stable en se changeant en baryum (période 14,5 s), lanthane (période 14,2 min), cérium (période 33 h) et praséodyme (période 13,5 j).


LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE
La physique nucléaire est l’étude du noyau atomique et des interactions dont il est le siège.
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 leurs comportements. Pour cela, on sonde les noyaux avec un véritable micro-scalpel adapté à leurs dimensions. On utilise un faisceau de particules accélérées 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.
Différentes modélisations des noyaux atomiques se sont succédées et complexifiées au cours des dernières décennies afin de mieux expliquer les observations de plus en plus variées et précises que les avancées techniques ont permis. Les modèles, étudiés notamment grâce à des simulations faites sur ordinateurs, ont évolué. Ils passent à des structures complexes où les nucléons forment des agrégats stables au sein du noyau ou, dans d’autres cas, constituent un halo diffus entourant un centre plus dense. C’est toute une nouvelle physique nucléaire qu’il faut réinventer.


SYNTHÉTISER ET ÉTUDIER DE NOUVEAUX NOYAUX
Depuis la découverte de la radioactivité artificielle en 1933 par Frédéric Joliot et Irène Joliot-Curie, de nombreux noyaux atomiques ont été synthétisés. Si les centres de Doubna (en Russie), de Darmstatd (en Allemagne) ou de Berkeley (aux USA) synthétisent des noyaux de numéro atomique élevé, le Grand accélérateur national d’ions lourds (Ganil) du CEA/CNRS installé à Caen permet l’étude de la stabilité de ceux qui y sont produits, de façon à mieux comprendre comment l’interaction nucléaire forte maintient les nucléons entre eux.
Deux axes de recherche sont développés :
*         l’étude des noyaux stables dans leurs états plus ou moins excités
*         la production et l’étude de noyaux exotiques.

Le Ganil a commencé à fonctionner en 1983 et son extension, Spiral2, démarrée en février 2012, sera bientôt opérationnelle.

SPIRAL (Système de productions d’ions radioactifs en ligne)
SPIRAL est un équipement, implanté depuis 2001 au Ganil, permettant de produire et d’accélérer des noyaux exotiques. Ceux-ci se caractérisent par un fort déséquilibre entre leur nombre de protons et de neutrons et un temps d’existence extrêmement bref avant de se désintégrer. Leur étude est essentielle dans de nombreux domaines de la physique nucléaire, mais aussi de l’astrophysique, notamment pour comprendre la formation des noyaux des atomes au sein des étoiles et des supernovae. Si les physiciens savent synthétiser des noyaux exotiques en laboratoire, l’installation Spiral leur permet d’en produire en grande quantité, de les accélérer, d’observer leurs collisions avec d’autres noyaux, et ainsi de connaître leur structure.

Pour aller plus loin, l’installation Spiral2 permettra de produire des noyaux exotiques à un taux mille fois plus élevé que ce qui se fait jusqu’à présent. L’objectif sera toujours de produire ces noyaux de synthèse pour découvrir leur nature et comprendre

LA MATIÈRE NUCLÉAIRE
L’interaction nucléaire forte permet de former des noyaux atomiques dont le nombre de masse (nombre de nucléons) ne dépasse pas 300. Mais il est possible de contraindre les nucléons à former temporairement une assemblée plus nombreuse en accélérant des ions lourds (comme des ions de plomb) avec des énergies colossales (de plusieurs TeV).
Pour en savoir plus :
*         Le dossier "LHC : découvrir la structure et les constituants ultimes de la matière"

Focus sur le boson de Higgs

Les noyaux atomiques s’entrechoquent de face. Leurs nucléons se mélangent pendant la durée du choc et les conditions qui règnent au sein du plasma de quarks et de gluons ressemblent aux conditions de température et de pression qui étaient celles de l’Univers à ses premiers instants (scénario du Big Bang). Le plasma ainsi formé n’est pas stable et la plus grande partie de l’énergie apportée pour le constituer se transforme en un très grand nombre de particules de toutes sortes qui sont détectées instantanément. Des collisions proton-plomb permettent de distinguer ce qui se passe dans un plasma froid par rapport à un plasma chaud (plomb-plomb). L’intérêt de ces collisions est de tester les mécanismes de nucléosynthèse primordiale en confrontant les mesures actuelles avec le résultat de ce qui a eu lieu il y a 13,7 milliards d’années. C’est ce qui a été réalisé au LHC et sera poursuivi après sa remise en marche prévue en 2015.

Le boson de Higgs


Au Large Hadron Collider (LHC) ce sont parfois des protons, noyaux d’hydrogène, qui circulent en paquets très denses, 100 milliards de protons par paquet ! Le collisionneur est un anneau de 27 km de circonférence, situé à 100 m sous terre à la frontière franco-suisse. Ces paquets de protons font 11 000 tours par seconde et se rencontrent en quatre points de collisions toutes les 25 ns. L’énergie disponible alors, de 7 à 8 TeV, permet de remonter aux conditions de température et de pression régnant dans l’Univers juste après le Big Bang. Sur les 6 millions de milliards de collisions proton-proton produites dans le LHC de 2010 à 2012, les expériences Atlas et CMS ont chacune enregistré environ 5 milliards de collisions intéressantes. Grâce à cette accumulation de données, des événements isolés s’ajoutent les uns aux autres et le signal émerge du bruit de fond. En juillet 2012, 400 collisions environ ont permis de mettre en évidence des événements signalant la particule qui ressemble au boson de Higgs. Celui-ci, prédit dès 1964 par les théoriciens François Englert, Robert Brout et Peter Higgs, leur ont valu de recevoir le prix Nobel de physique 2013.

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