IONS LOURDS (FAISCEAUX D’)

IONS LOURDS (FAISCEAUX D’)

Il n’est plus de congrès de physique nucléaire dont une part importante des thèmes ne soit consacrée aux ions lourds; il n’est pas de laboratoire de physique nucléaire qui n’ait dans ses projets la construction ou l’amélioration d’un accélérateur d’ions lourds. Alors que les faisceaux d’ions du carbone, de l’azote ou de l’oxygène étaient des curiosités en 1960, presque toutes les investigations sur le noyau atomique sont actuellement effectuées à l’aide de faisceaux d’ions divers et variés, du carbone à l’uranium. Cet engouement, probablement aussi excessif que le manque d’intérêt des années soixante, a cependant des raisons profondes.

1. Les faisceaux d’ions lourds

Pendant longtemps, les projectiles utilisés pour tenter d’explorer la structure des noyaux atomiques ont été soit les particules 見 (noyaux d’hélium He⁺⁺) émises par radioactivité naturelle de sources de radium, de polonium, etc., soit les atomes d’hydrogène ayant perdu leur électron (protons H⁺) accélérés dans un champ électrique, soit les électrons également portés à grande vitesse. On a ensuite fabriqué des ions de deutérium et de tritium. Entre 1950 et 1960, l’idée est venue de mettre dans les sources d’ions des molécules gazeuses de lithium, d’azote, d’oxygène, de carbone, et d’accélérer ensuite les ions positifs créés après la perte par les atomes d’un ou de plusieurs électrons. Actuellement, on produit pratiquement les ions de tous les éléments, du lithium (Z = 3) à l’uranium (Z = 92). Ce sont tous ces ions autres que H⁺ et He⁺⁺ que l’on appelle ions lourds. Avec les protons, on bombardait les noyaux d’une cible à l’aide de projectiles eux-mêmes constituants de ces noyaux (nucléons), alors qu’avec les faisceaux d’ions lourds on projette un ensemble de nucléons sur un autre ensemble de nucléons.

Mais pour que des ions krypton pénètrent dans les noyaux les plus lourds, ceux d’uranium par exemple, il faut leur fournir une énergie d’environ 500 millions d’électrons-volts. Si les ions krypton étaient des atomes totalement épluchés de leurs électrons, leur charge serait alors 36, et une tension de 500/36 mégavolts (MV) suffirait, ce qui fait encore environ 14 millions de volts. On conçoit donc que la meilleure solution serait de produire des ions les plus épluchés possible. On a donc essayé d’obtenir un taux d’ionisation élevé en imaginant des sources d’ions différentes des anciennes sources à décharger des premiers cyclotrons. Elles ont été inventées à Grenoble, à la fin des années 1970, et ont été adoptées en quelques années sur tous les grands accélérateurs. Appelées E.R.C. (électrons en résonance cyclotronique), ces sources sont constituées de deux petites cavités dans lesquelles les atomes gazeux à ioniser sont «chauffés» par des micro-ondes. Dans la première enceinte, à une pression de 100 pascals, l’énergie fournie par les micro-ondes crée un plasma d’ions positifs (une fois chargés) et d’électrons. Ce plasma est confiné par un champ magnétique axial et conduit vers la seconde enceinte. Dans celle-ci, la pression est beaucoup plus basse (0,01 P) et un champ magnétique hélicoïdale très puissant, dû à des aimants permanents au dysprosium, assure le confinement du plasma très peu dense. Dans ce vide, les électrons tournent sur une trajectoire hélicoïdale avec une fréquence de rotation proportionnelle au champ magnétique. Avec les intensités de champ que l’on sait produire, on atteint une fréquence supérieure à 10 mégahertz. Un klystron produit des micro-ondes ayant la même fréquence. Ces ondes, entrant en résonance avec les électrons, leur transfèrent de l’énergie à chaque rotation. Ils atteignent de 20 à 30 kiloélectronvolts (keV). Les ions lourds monochargés venant du plasma de la première cavité pénètrent dans la seconde et sont alors fortement épluchés par le nuage d’électrons très rapides. Les ions multichargés sont extraits de cette «bouteille magnétique» grâce à un potentiel électrostatique de plusieurs kilovolts appliqué à l’orifice. On fabrique ainsi des jets intenses d’ions carbone totalement épluchés (6⁺). Pour les atomes ayant un numéro atomique (Z ) beaucoup plus élevé, on obtient des charges allant de 10⁺ à 25⁺. Mais le potentiel électrique de 14 MV, indiqué plus haut, ne permettrait encore d’atteindre que 196 MeV sur les ions Kr¹⁴⁺, obtenus en 1993 avec la source E.R.C. du G.A.N.I.L. (grand accélérateur national d’ions lourds) de Caen. Pour induire une réaction nucléaire sur un autre noyau, il faut obtenir une énergie de 500 MeV. Il faut donc encore accroître la charge et l’énergie.

La solution réside dans l’observation suivante: lorsqu’un ion traverse avec une vitesse suffisante un «rideau» de matière, il perd des électrons supplémentaires, c’est-à-dire accroît sa charge. Il suffit que sa vitesse soit supérieure à celle des électrons gravitant autour du noyau pour que ces électrons soient perdus. Tous les accélérateurs d’ions lourds multichargés sont donc constitués de deux étages. Dans le premier, des ions peu chargés sont accélérés. À la sortie, ils traversent une feuille mince ou un courant gazeux qui les épluche. Les ions, maintenant fortement multichargés, Ar¹³⁺, Ni²⁶⁺, Kr³³⁺, U⁵⁹⁺, etc., sont accélérés à une énergie beaucoup plus élevée par le second étage. Ce procédé est complexe, mais reste pour le moment le plus efficace.

Énergie et vitesse. Rôle de la masse

L’un des aspects originaux des projectiles lourds est qu’ils disposent d’une grande énergie cinétique tout en voyageant à vitesse relativement faible, et que, lorsqu’ils transmettent une grande partie de cette énergie au cours d’une collision avec un noyau, les «dégâts» subis sont considérables, ou, en termes plus scientifiques, l’énergie d’excitation interne est très grande. Par exemple, un ion de masse atomique 100 (environ 100 nucléons) porté à une charge 35+ peut atteindre dans les accélérateurs actuels une énergie de 5 GeV. Mais sa vitesse est celle d’un proton de 50 MeV. On a l’habitude de parler de l’énergie par nucléon, c’est-à-dire de l’énergie totale divisée par le nombre de nucléons constituant le projectile. Si un projectile possède A nucléons, son énergie cinétique est A fois plus grande que celle d’un nucléon allant à la même vitesse (E = 1/2 A v²).

Lorsque les ions pénètrent dans la matière, leur charge électrique interagit avec les charges des électrons des cortèges atomiques. Il en résulte un freinage d’autant plus rapide que la charge est plus élevée et la masse plus grande. Pour une même énergie cinétique, la perte d’énergie par unité de longueur est considérablement plus grande pour les ions lourds que pour les protons. Il en résulte, d’une part, un parcours beaucoup plus faible, d’autre part, des dégâts beaucoup plus denses et plus irréversibles le long de ce parcours. Les traces laissées par les ions lourds dans les matériaux sont de véritables «trous d’épingle», l’organisation du milieu étant totalement détruite. Mais la longueur de ces traces dans un solide varie de quelques fractions de millimètre à quelques millimètres aux énergies de 10 à 100 MeV par nucléon. On peut, par exemple, créer de véritables tamis dans des films de polymères organiques, ou dans des feuilles de verre mince, en les bombardant par un faisceau d’ions lourds. Les microtrous créés permettent la filtration des virus.

2. Les collisions entre noyaux

Que veut-on faire avec ces faisceaux de projectiles pouvant atteindre une vitesse égale aux trois quarts de celle de la lumière? Bombarder des cibles, c’est-à-dire des noyaux au repos. En vérité, les projectiles sont la plupart du temps ralentis par les nuages électroniques des atomes. Cependant, de temps en temps, c’est-à-dire une fois ou moins sur un million, le projectile rencontre un noyau atomique de la cible. Ce sont les collisions qui interviennent entre les noyaux des ions projectiles et les noyaux de la cible qui intéressent le physicien et le chimiste nucléaires. La vitesse élevée est nécessaire pour que la répulsion due aux charges soit vaincue. Dans ces conditions, les noyaux projectiles qui rencontrent de front des noyaux cibles pénètrent profondément dans ces derniers, et des perturbations importantes de la matière nucléaire en résultent. Au contraire, les projectiles qui frôlent les noyaux cibles induisent des perturbations légères en surface. Or, les noyaux sont tous constitués de nucléons, c’est-à-dire de protons chargés et de neutrons. Ces nucléons, concentrés dans un volume mille milliards de fois plus petit que le volume de l’atome lui-même, constituent en réalité la quasi-totalité de la matière.

À l’échelle des noyaux et même des atomes, aucune méthode d’observation directe de l’objet n’est possible et les informations proviennent de perturbations provoquées par des sondes envoyées sur ces objets. Cependant, les faisceaux d’électrons et même de protons ne provoquent que des «piqûres d’épingle» dans les noyaux. Ils peuvent bien sûr perturber l’organisation des autres protons et neutrons, mais, en général, ils ne bouleversent pas la matière du noyau cible de façon considérable et totale. Pour aller plus loin dans les dégâts, apporter plus d’énergie dans le choc, on pourrait penser qu’il suffirait de disposer de protons accélérés à de plus grandes vitesses. Mais alors les noyaux ne les arrêtent pas totalement, et ont même tendance, lorsque la vitesse croît, à devenir transparents pour ces projectiles trop légers. Une autre solution pour modifier profondément la structure interne des noyaux est donc de faire appel à des projectiles beaucoup plus lourds, et de jouer sur la masse plutôt que sur la vitesse. C’est là le but des ions lourds.

Le tournant s’est amorcé aux environs de 1960, avec des ions de carbone, d’azote, d’oxygène et de néon. Depuis, plusieurs cyclotrons à protons et particules 見 se sont convertis en cyclotrons à ions lourds, les sources des accélérateurs électrostatiques tandem ont été adaptées à des ions négatifs de carbone, d’oxygène, de soufre et de chlore, et des accélérateurs linéaires ont été construits spécialement pour les faisceaux d’ions allant du carbone à l’argon. Enfin une floraison d’accélérateurs s’est épanouie, parmi lesquels Unilac à Darmstadt en R.F.A., et G.A.N.I.L. à Caen. Ils produisent des faisceaux d’ions de tous les éléments, du carbone à l’uranium.

L’étude du noyau atomique, dans lequel presque toute la matière est concentrée, est cruciale pour le progrès des connaissances scientifiques. Deux idées de base se sont exprimées à travers deux modèles. Le modèle de la goutte liquide est marqué par l’étude des propriétés globales des noyaux (propriétés collectives) et en particulier par l’étude de la fission nucléaire. C’est le modèle des «chimistes», guidé par l’image du noyau, goutte de matière condensée, inspiré par les idées répandues en physico-chimie des milieux condensés, par exemple celles de Jean Perrin et de Paul Langevin sur les phénomènes statistiques d’agitation, sur la tension superficielle, sur le sens de la température, de l’évaporation, des déformations de volumes avec intervention des forces de répulsion entre charges. L’autre modèle est celui à particules indépendantes organisées selon les règles de la mécanique quantique, comme dans le cas des électrons du cortège atomique. Le noyau est un puits de potentiel, c’est-à-dire un espace dans lequel s’exercent des forces. Les nucléons s’agitent dans ce puits selon des mouvements indépendants les uns des autres. Les énergies de ces nucléons ne sont pas quelconques mais régies par les principes de quantification. Apparaissent ainsi des nombres de nucléons privilégiés pour lesquels la stabilité est plus grande. Comme pour les électrons du cortège, on définit des «couches» plus stables, d’où le nom de modèle «en couches», bien que l’idée de pelures successives n’ait un sens possible que pour le nuage électronique.

Ces deux modèles ont eu de grands succès, mais chacun d’eux ne décrit qu’une partie de la réalité, de l’organisation de la matière nucléaire. Ils sont influencés dans leurs conclusions par les ingrédients hypothétiques mis dans leur constitution.

Le modèle à particules indépendantes a eu une influence considérable sur toute la physique nucléaire de 1950 à 1970. Il a orienté les idées et les expériences elles-mêmes. Grâce à lui, la connaissance du noyau a progressé, jusqu’à ce que certaines limites soient atteintes. Un renouveau complet de l’éclairage des problèmes abordés est alors devenu nécessaire. Sans ce renouveau, apporté par les ions lourds, la physique nucléaire piétinait.

De même, les mécanismes de réactions nucléaires induites par les seuls faisceaux de protons, de neutrons et de particules 見 sont limités. Après les avoir élucidés, la chimie nucléaire a synthétisé quelque 1 500 nouvelles espèces, entre autres les éléments transuraniens 93 à 99. Grâce aux faisceaux d’ions lourds, on a pu atteindre Z = 109. Mais un essoufflement est apparu par manque de variétés de moyens d’action, un peu comme si les chimistes ordinaires n’avaient pu créer que des combinaisons hydrogénées de tous les éléments. Quant à ce fluide nucléaire de la goutte liquide, on ne savait jusqu’ici tester ses propriétés qu’en les examinant très indirectement par les conséquences de la fission.

Pour aller plus avant, il fallait un système de sondage différent. La description qui était faite en se servant des résultats d’expériences effectuées avec les particules légères représente une facette seulement de la réalité, facette elle-même fonction de l’outil d’observation. Cette description correspond à un certain stade de notre connaissance. À partir d’elle, une nouvelle étape pouvait être amorcée. Il faut ici évoquer l’expression de Gaston Bachelard: «Connaître, c’est décrire pour retrouver.»

Toute la théorie des réactions nucléaires avait donc ses racines dans une situation schématique où le projectile est une masse ponctuelle sans structure (nucléon) parce que les seules sondes utilisées étaient les neutrons et les protons. À partir de cette théorie, on se représente le noyau comme un ensemble plus ou moins sphérique dans lequel les nucléons, traités comme des particules indépendantes les unes des autres, sont piégés par des forces attractives inconnues représentées globalement par un puits de potentiel.

C’est à partir de cette description, manifestement incomplète, que nous allons retrouver d’autres propriétés, les rassembler en une description plus proche du réel et donc retrouver.

En effet, les mouvements des nucléons dans le puits, comme ceux des électrons du cortège, sont régis par la mécanique quantique. Mais alors que toute la physique atomique prouve que les électrons se meuvent dans le vide sous l’action de l’énergie coulombienne, attractive, des champs du noyau, les forces nucléaires, au contraire, sont à courte distance, de sorte que les nucléons ne sont pas réellement libres les uns par rapport aux autres et sont pris dans une «glu» dont on est capable de décrire la consistance. On ne peut donc calquer totalement le modèle nucléaire sur celui de l’atome. C’est d’ailleurs la raison de l’existence du modèle dit de la goutte liquide qui met l’accent sur l’aspect collectif, sur la goutte de matière, sur l’ensemble lié par la glu, sans examiner de très près les propriétés particulières des mouvements des nucléons (fig. 1). C’est un peu comme si l’on ne retenait d’une gouttelette d’eau que le fait qu’elle est constituée d’atomes d’oxygène et d’hydrogène, sans savoir qu’une goutte d’eau n’est ni un morceau de glace, ni une bulle de vapeur d’eau. On n’aurait alors retenu que les propriétés microscopiques , sans voir les propriétés macroscopiques de la goutte, par exemple sa viscosité, sa compressibilité d’ensemble et toutes les propriétés à l’état liquide qui différencient cette goutte d’une goutte de mercure ou d’huile. L’aspect matière condensée , c’est-à-dire système comportant de nombreux individus en interaction forte, avait été presque totalement négligé.

C’est cet aspect macroscopique des noyaux, ajouté aux connaissances de l’aspect microscopique révélées par les études précédentes, qui a été abordé grâce aux collisions par ions lourds. En effet, nous savons depuis Rutherford que toute la matière est accumulée dans le noyau de volume très petit. Pour observer cette matière dans son ensemble, il faut une sonde massive, de grande énergie et de faible dimension. Quoi de mieux qu’un autre noyau complexe lui-même accéléré en projectile? On peut ainsi provoquer dans le creuset constitué par les deux noyaux en collision une «chimie» de très haute température, c’est-à-dire un milieu nucléaire réactif capable de fournir des renseignements macroscopiques. La méthode utilisée pour cette chimie nucléaire est donc de faire rencontrer deux noyaux et d’examiner les conséquences de ces chocs de matière nucléaire, autrement dit de considérer, au-delà de l’aspect statique, l’aspect dynamique.

La fusion incomplète des noyaux, un modèle d’étude de la matière nucléaire condensée

Si l’on progresse dans le degré de violence de la collision, des bouleversements importants sont observés. Il se produit un véritable courant d’échange de nucléons qui modifie profondément les deux partenaires (fig. 2).

En apparence, tout se passe comme si les deux noyaux «collaient» l’un à l’autre pour un temps. L’ensemble encore très déformé tourne avec une vitesse d’autant plus grande que le choc est moins frontal. L’énergie cinétique (c’est-à-dire correspondant à la vitesse du mouvement d’un noyau par rapport à l’autre) est totalement transformée en chaleur interne du système. Puis, dans un stade ultime, il y a reséparation en deux fragments dont l’énergie de séparation est due uniquement à la répulsion des charges comme pour le phénomène de fission nucléaire.

L’idée simple, mais révolutionnaire en physique nucléaire au moment de la découverte de ce comportement, est que des forces de friction s’exercent entre deux gouttes d’un milieu condensé visqueux . Quelles sont les expériences et les informations qui peuvent conduire à de telles conclusions?

En général, on place une cible mince d’un élément donné, donc constituée des noyaux tous identiques de cet élément, dans un faisceau de projectiles. Lorsqu’une collision a lieu, on essaie d’explorer ce qui en résulte dans l’espace environnant. Tout autour de la cible, dans des directions très précisément définies, sont placés des détecteurs. Il peut s’agir de petites plaquettes de silicium ou de germanium, de cylindres à parois minces contenant un mélange gazeux (chambres d’ionisation), de panneaux de fils sous tension (chambres à fils), de cristaux scintillants qui, sous l’action d’une particule, émettent une lumière recueillie par un photomultiplicateur, ou même d’un système d’aimants (spectromètre magnétique). Quelle que soit leur nature, ces détecteurs fournissent une impulsion électrique chaque fois qu’un nucléon, un fragment de noyau ou un rayonnement les traverse. La hauteur de ces impulsions est proportionnelle à l’énergie laissée dans le détecteur. Dans d’autres cas, on mesure le temps mis par la particule pour parcourir une distance fixée entre deux détecteurs (temps de vol), d’où l’on peut déduire la vitesse. Quoi qu’il en soit, la somme des informations recueillies en coïncidence, c’est-à-dire en vérifiant qu’elles correspondent bien au même événement et non à deux collisions distinctes, permet de préciser la masse, la charge, l’énergie cinétique (la vitesse) du produit observé recueilli dans une direction précise. On fait ensuite la reconstitution cinématique de la collision et son bilan en énergie.

L’utilisation de moyens d’acquisition complexes entraîne la nécessité de disposer d’ordinateurs permettant de classer les informations, d’analyser l’amplitude des signaux, de calculer les corrélations angulaires et énergétiques, etc. C’est ainsi que l’on a pu mettre en évidence la fusion incomplète, découverte à l’université d’Orsay (Paris-Sud) en 1969. On a en effet constaté qu’en bombardant des noyaux d’argent par des noyaux d’azote ou de carbone, on trouvait comme produits un fragment léger de bore, de béryllium, de carbone ou d’oxygène et un fragment lourd, émis à l’opposé, et que l’énergie cinétique était très inférieure à celle des projectiles. Plus tard, les mêmes observations ont été faites, et de façon encore beaucoup plus nette, après bombardement de bismuth (A = 209) par des projectiles de krypton (A = 84). Depuis lors, de nombreuses expériences de ce type, effectuées à Dubna (Russie), à Berkeley et à Oak Ridge (États-Unis), à Darmstadt (Allemagne), à T 拏ky 拏 et même à Lanzhou (république populaire de Chine), ont précisé ces phénomènes. On sait maintenant que les deux fragments sont très fortement excités et émettent en reculant des rayonnements 塚, des neutrons et des particules 見. Le phénomène a reçu plusieurs noms, le terme le plus général étant «réactions dissipatives très inélastiques»; celui de «quasi-fission» correspond à une dissipation complète de l’énergie cinétique du mouvement relatif.

Les idées (puis les modèles théoriques) qui sont nées pour expliquer ces observations relèvent presque toutes des concepts généraux de physique et de chimie élaborés il y a quelques décennies, et, dans quelques cas, presque un siècle, pour décrire certains aspects du comportement des fluides et de la matière condensée. Les équations de Langevin, mises au point pour décrire quantitativement le mouvement brownien (agitation désordonnée de particules dans un milieu), ont servi de base à l’étude de la diffusion statistique des nucléons à travers le col créé entre les deux noyaux. La relation de base de tous les phénomènes au cours desquels un ensemble d’entités migre de façon aléatoire dans un espace restreint est l’équation dite de Fokker-Planck, vieille de presque un siècle et devenue le leitmotiv de tous les modèles théoriques décrivant le transport des nucléons dans ce système de deux noyaux en interaction.

Les problèmes de compatibilité entre la part des phénomènes décrits par la mécanique statistique et celle de la mécanique quantique sont soulevés de façon passionnante. On parle de la température des noyaux en termes analogues à ceux de la température des étoiles.

La fusion complète de deux noyaux

Il peut se faire que la pénétration des deux matières nucléaires soit assez profonde pour que l’interaction se prolonge et que la fusion des deux ensembles soit finalement totale. Un nouveau noyau est alors formé, qui est la somme des nucléons du projectile et de la cible (fig. 3). Les expériences effectuées jusqu’ici avec des ions divers ont consisté à mesurer la probabilité d’obtenir une fusion complète selon les conditions d’énergie, de masse, de charge, des projectiles. Si l’on augmente soit l’énergie, soit la masse du projectile, on augmente aussi le moment angulaire. L’énergie de rotation communiquée au système dans les chocs non frontaux devient telle que l’amalgame est impossible. On sait maintenant que la fusion complète n’a lieu qu’à la condition que les deux noyaux s’interpénètrent jusqu’à une certaine distance entre les centres, toujours la même. Si elle n’est pas atteinte, l’ensemble des effets répulsifs (charges, moment cinétique) réussit à faire repartir le projectile, plus ou moins modifié. Si cette distance est atteinte, le potentiel d’attraction de l’ensemble devient suffisant pour rendre impossible une scission, et un noyau composé se forme. Cette distance critique, dont le concept a été proposé en 1974, correspond à certaines conditions de recouvrement de matière nucléaire et indique que cette matière est très difficilement compressible.

Pour des projectiles très lourds, comme des ions krypton, la fusion complète devient presque négligeable. Enfin, dès qu’une collision n’est pas totalement frontale, il y a un paramètre d’impact qui entraîne la rotation, comme on peut le constater facilement dans le cas de deux boules de billard. On a observé cette rotation des noyaux grâce au rayonnement gamma émis, tout comme on observe la rotation des étoiles, des galaxies ou des pulsars par le rayonnement lumineux ou hertzien. Lorsqu’il est en rotation, un objet chargé électriquement est obligatoirement une source de rayonnement, et l’énergie de rotation est directement liée à l’énergie du rayonnement et à sa polarité. Là encore, ce sont les lois générales de la physique classique et quantique qui permettent la compréhension des phénomènes nucléaires. En particulier, l’énergie de rotation mesurée à travers le rayonnement gamma est inversement proportionnelle au moment d’inertie. Pour une masse donnée, le plus faible moment d’inertie est celui d’un volume sphérique. Si un objet sphérique déformable tourne trop vite, l’énergie de rotation pour un moment cinétique donné (produit de la masse par la vitesse et le paramètre d’impact) peut être abaissée en accroissant le moment d’inertie, c’est-à-dire en passant de la sphère à une autre forme. C’est ainsi qu’on a observé que les objets célestes à grande vitesse de rotation prenaient comme forme la plus stable celle d’un ellipsoïde (ballon de rugby), puis d’une soucoupe tournante, puis d’un objet triaxal (poire). Les mêmes déformations avaient été prévues par les prix Nobel de physique 1975, Aage Bohr et Ben Mottelson. Grâce au grand moment cinétique apporté par le projectile ion lourd, on a pu observer ces noyaux aux formes «exotiques» et étudier leur désexcitation qui donne lieu à des changements de formes mis en relief par le type de rayonnement émis (fig. 4).

N’est-il pas fascinant que les mêmes modèles puissent décrire avec succès les mouvements de la matière galactique, dont les dimensions s’expriment en années de lumière, et ceux de la matière nucléaire, enfermée dans des volumes 10⁷⁰ fois plus faibles?

La fragmentation et la boule de feu

Les chocs sont encore plus brutaux si l’énergie des projectiles dépasse 100 MeV par nucléon, donc plusieurs dizaines de milliards d’électrons-volts. Si la collision est périphérique, la figure 5 présente l’idée le plus couramment répandue, selon laquelle le projectile découpe dans le noyau cible un trou. Mais le frottement est tel qu’une véritable boule de feu sort de cette rencontre; des nucléons et amas de nucléons explosent comme des flammèches. Lorsque la collision est centrale, le noyau de fusion produit subit une onde de choc et atteint une température que l’on qualifie de critique, parce qu’un changement d’état apparaît probablement dans la matière nucléaire. Au-delà des 70 milliards de degrés ainsi obtenus, le noyau explose en un nuage de neutrons, de protons et de petits agglomérats de nucléons, après avoir subi une transformation caractéristique. Il a fallu mettre au point, pour étudier ces phénomènes, de nouveaux appareils de détection très élaborés, comme celui qu’on a baptisé Orion pour observer autour de la cible tous les neutrons émis et mesurer ainsi la température du noyau. De même, plus récent, Indra examine dans tout l’espace les fragments chargés projetés. Dans les laboratoires nationaux les plus modernes, G.A.N.I.L. à Caen, G.S.I. à Darmstadt, M.S.U. dans le Michigan (États-Unis) et Riken au Japon, on produit des collisions d’ions lourds d’oxygène, de calcium, de krypton, de plomb, d’uranium, au cours desquelles on atteint un état de la matière nucléaire inconnu sur la Terre mais analogue à celui qu’on rencontre probablement dans les supernovae, ces énormes étoiles qui implosent et finissent en toutes petites étoiles à neutrons.

3. Synthèse par ions lourds de nouvelles espèces.

La systématique des noyaux

La stabilité d’un noyau disposant de Z protons n’est assurée que pour un nombre de neutrons N très strictement limité. Le rapport N /Z est un critère très sensible de la stabilité. Pour les éléments légers (carbone, azote, oxygène, etc.), l’énergie de liaison des nucléons est la plus grande lorsque N = Z . L’association neutron-proton est la base même de l’existence des forces de cohésion nucléaire. Cependant, on trouve souvent non pas une seule valeur de N , mais deux, trois et tout à fait exceptionnellement dix valeurs pour lesquelles les noyaux d’un Z donné sont stables. Ce sont les isotopes. Compte tenu de ces isotopes, on connaît 281 espèces nucléaires stables. Par des réactions nucléaires induites par protons, neutrons ou particules alpha, et, surtout par fission, on a créé, depuis la découverte de la radioactivité artificielle, environ 1 800 noyaux appartenant à 109 éléments (les 89 naturels, puis les transuraniens). Plus le rapport N /Z s’éloigne du rapport de stabilité, plus les noyaux sont instables et ont une durée de vie courte, la tendance à revenir vers la stabilité étant traduite par la transformation spontanée de neutron en proton, ou inversement. On connaît bien ces modes de radioactivité 廓^-, 廓⁺, 見 (cf. chimie NUCLÉAIRE).

Enfin, on ne peut ajouter indéfiniment des nucléons dans un noyau, et plus particulièrement des protons chargés. La fission en deux fragments plus légers est le phénomène limitant la «péninsule de stabilité».

Cet inventaire de nos connaissances étant fait, nous savons aussi que nous sommes très loin d’avoir créé tous les noyaux pouvant exister. En effet, on peut estimer à 7 000 le nombre des espèces nucléaires identifiables, c’est-à-dire des ensembles de nucléons tels que tout neutron ou proton inclus dans cet ensemble ait une masse plus faible qu’à l’état libre. La nature même des forces nucléaires, c’est-à-dire des forces de cohésion entre nucléons, est encore inconnue. Or, on devine bien que la connaissance des limites au-delà desquelles il n’y a plus liaison d’un nucléon peut apporter beaucoup pour répondre à la question: pourquoi la matière nucléaire, agglomérat de nucléons, existe-t-elle?

La limite côté riche en neutrons est tout naturellement la ligne au-delà de laquelle, vers la droite, l’énergie de liaison du neutron devient nulle. Par exemple, le sodium 23 (11 protons, 12 neutrons) est stable, le sodium 24 est radioactif émetteur 廓^- avec une demi-vie de 15 heures, le sodium 26 a une demi-vie de 1 seconde, etc. L’énergie de liaison du quinzième puis du seizième neutron devient de plus en plus faible. Autrement dit, la masse de ce neutron n’est plus inférieure à celle du neutron isolé que d’une quantité de plus en plus faible. La limite apparaît probablement aux alentours du sodium 32 ou 33. De façon analogue, la limite côté riche en protons est la ligne au-delà de laquelle, vers la gauche, l’énergie de liaison du proton devient nulle. L’étude de ces deux frontières est éminemment intéressante, car c’est souvent à la limite de l’existence des phénomènes que l’on comprend le mieux les phénomènes eux-mêmes. La demi-vie passe de quelques millisecondes à 10^-21 seconde lorsque le neutron n’est plus lié. La «coupure» est moins nette pour la limite du côté proton car, même si le proton n’est plus lié, sa «sortie» d’un noyau a lieu par «traversée» d’une barrière coulombienne.

Enfin, la limite vers les Z et N élevés intéresse à la fois les chimistes et les théoriciens nucléaires. En effet, il ne s’agit plus seulement de savoir si l’on peut ajouter des isotopes pour un élément connu, mais de connaître jusqu’où le tableau périodique des éléments peut s’étendre (cf. ÉLÉMENTS SUPERLOURDS, TRANSURANIENS).

L’étude des limites du domaine d’existence des noyaux n’est pas la seule raison de produire ces nombreuses espèces nucléaires «exotiques». Toutes nos connaissances actuelles sur la matière nucléaire ont été acquises grâce à l’observation d’environ 500 noyaux, soit stables, soit très voisins de la stabilité, c’est-à-dire sur moins de 10 p. 100 de la totalité des espèces possibles. Ces noyaux sont sphériques ou peu déformés. Les états de nucléons dépendent évidemment de cet échantillonnage. On pense de plus en plus, et on a d’ailleurs découvert récemment que, si l’on s’éloigne de ces conditions assez particulières, notre optique de la matière nucléaire va changer. Comment quelqu’un qui ne connaît que le bouclier canadien, pénéplaine très stable établie depuis l’ère primaire, pourrait-il se faire une opinion correcte de la Terre, de ses volcans, des lignes des ruptures de l’écorce terrestre et de l’activité intense de son noyau central?

Il nous faut donc étudier, et cela sera plus difficile car leur durée d’existence est courte, ces noyaux, tels l’étain 100, le nickel 80, les mercures très déficients en neutrons, et, plus généralement, les noyaux aplatis ou allongés, les noyaux dans lesquels différentes phases pourraient coexister (noyaux «supermous»).

Les progrès technologiques des accélérateurs permettent de synthétiser ces nouvelles espèces. Les ions lourds, au moins du carbone au calcium 40, sont un outil efficace de production d’isotopes déficients en neutrons. En effet, le rapport N /Z de ces projectiles est de 1.

Étant donné que, pour les noyaux plus lourds, la stabilité n’est acquise que pour N supérieur à Z (N /Z = 1,536 pour le plomb 208), l’addition à une cible de masse moyenne des nucléons d’un projectile dont N = Z conduira à un noyau composé de N /Z , trop faible pour être stable, donc déficient en neutrons, émetteur 廓 ⁺. Plus de deux cents de ces isotopes ont été ainsi produits en bombardant des cibles de cuivre, de molybdène, de palladium, de baryum, etc., par des ions de carbone, d’oxygène, de néon ou d’argon.

De plus, en utilisant les réactions de fusion incomplète au cours desquelles de forts échanges de nucléons ont lieu, on peut produire des fragments légers plus riches en neutrons que les projectiles car, au cours du «collage» momentané, un seul rapport N /Z a été pris par l’ensemble et une cible lourde a donc pu fournir des neutrons au fragment léger. Quelques centaines d’isotopes riches en neutrons d’aluminium, de silicium, de phosphore, de soufre, d’argon ont été ainsi créés.

L’apparition de projectiles lourds, donc l’utilisation de collisions de noyaux complexes, a modifié considérablement l’image même que l’on se faisait du noyau. Après une phase «classificatoire» au cours de laquelle on a fait apparaître les différents aspects de structure nucléaire et les règles quantiques présidant aux mouvements des nucléons dans un ensemble vide, c’est le caractère matière condensée qui est mis en évidence par les chocs violents et profonds, fortement dissipatifs, qui interviennent entre noyaux projectiles et noyaux cibles. Cet aspect collectif, macroscopique, de la matière est bien familier aux chimistes nucléaires qui avaient déjà tenté de mieux comprendre le phénomène de fission. Ils ont donc apporté leurs idées malgré ceux qui pensaient que les processus étaient si compliqués qu’on ne pourrait les comprendre. Mais les phénomènes naturels sont une jungle dans laquelle aucune route royale n’est tracée à l’avance. Nous cherchons notre chemin à petits pas, au milieu des embûches, des essais, des erreurs, des retours en arrière, à l’aide d’outils forgés avant nous par d’autres dans d’autres jungles.

À trop vouloir suivre des règles scolastiques définies dans les années 1960, la physique nucléaire ne progressait plus et écartait les directions fertiles en les qualifiant d’impossibles à poursuivre. Ainsi, Alice se trouvait en face de la Reine blanche (Lewis Carroll: Through the Looking-Glass , chap. V):

«Inutile d’essayer, dit Alice, on ne peut absolument pas croire à des choses impossibles.

– Je prétends que tu ne t’y es pas assez excercée, dit la Reine. Lorsque j’avais ton âge, je m’y suis toujours appliquée une demi-heure par jour. Eh bien, il m’est arrivé, avant d’avoir pris le petit déjeuner, de croire jusqu’à six choses impossibles.»

Ainsi en est-il des utilisateurs des ions lourds. Transformer un noyau sphérique en poire, créer l’étain 100 ou le zirconium 80 pour lesquels N = Z au lieu de N = 1,4 Z , faire bouillir les nucléons à une température de plusieurs centaines de millions de degrés, produire une boule de feu nucléaire après avoir fait un trou dans un noyau, rebondir sur un autre noyau après avoir perdu presque toute son énergie, dépasser les constructions de la nature en ajoutant au plus lourd de ses produits, l’uranium 238, plus de 25 nucléons pour créer les éléments 103, 104 ou 109, voilà six choses impossibles, et il y en a bien d’autres...

Encyclopédie Universelle. 2012.