
Physique nucléaire
© L. Cauville, www.aprim-caen.fr
Le 13 octobre prochain, le ministre délégué à l'Enseignement supérieur et à la Recherche, François Goulard, se rendra au Ganil de Caen à l'occasion du lancement de Spiral 2. À quoi servira ce nouvel instrument ?
Sydney Gales : Depuis une dizaine d'années, le Ganil s'est spécialisé dans une branche de la physique nucléaire appelée « physique des noyaux exotiques ». En deux mots, de quoi s'agit-il ? Sur Terre, il existe environ 250 types de noyaux dits « stables », ou non radioactifs. Ils sont les « cendres » de la création de notre système solaire et constituent la matière ordinaire. C'est de leur étude que proviennent la plupart de nos connaissances sur le noyau atomique.
Cependant, il y a une trentaine d'années, en faisant s'entrechoquer ces noyaux à des énergies et à des intensités élevées, les physiciens ont réussi à produire des espèces totalement nouvelles n'existant pas sur notre planète à l'état naturel. Ce sont ces « noyaux exotiques », des noyaux « instables » qui ont la propriété de disparaître par radioactivité très rapidement – entre un milliardième de seconde et quelques secondes – après qu'ils ont été produits.
L'intérêt de ces noyaux, c'est que leur étude a montré qu'ils peuvent nous aider à répondre à plusieurs questions fondamentales. La première concerne la nucléosynthèse. C'est-à-dire le processus qui a permis à la nature, lors de la formation de notre système solaire, de produire les éléments lourds à partir des plus légers, comme l'hydrogène ou l'hélium. Nous pensons qu'en enrichissant en neutrons des noyaux stables pour produire des noyaux exotiques – ce que fera Spiral 2 –, il nous sera possible de reconstituer les réactions-clés mises en jeu dans les étoiles depuis leur naissance jusqu'à leur mort.
Un second champ d'études concerne les propriétés du noyau proprement dites. À force de créer des noyaux de plus en plus instables et riches en neutrons, nous avons mis en évidence des phénomènes insoupçonnés. Ils constituent autant de petits mystères qui n'ont pas été résolus jusqu'à aujourd'hui. Grâce à Spiral 2, nous pourrons fabriquer des noyaux encore plus riches en neutrons. Et nous devrions découvrir des mécanismes inédits de formation de ces systèmes nucléaires.
Enfin, le dernier point important, c'est que les intensités de Spiral 2 – supérieures d'un facteur 1 000 à ce qui se fait aujourd'hui – vont nous permettre de synthétiser de nouveaux éléments qui viendront ajouter de nouvelles cases à la fameuse table de Mendeleïev. Ces noyaux dits « superlourds » seront encore plus massifs que le plomb ou l'uranium, qui sont pourtant les éléments les plus lourds existant sur notre planète !
En quoi Spiral 2 se différenciera-t-il de Spiral 1 ?
S. G. : La physique expérimentale se développe par étapes. Le Ganil des années quatre-vingt-dix avait pour vocation de provoquer des collisions entre des faisceaux et des cibles faits de noyaux stables afin de produire de nouvelles espèces nucléaires. Spiral 1 avait pour objectif de délivrer des faisceaux de noyaux exotiques – par exemple des isotopes massifs de l'hydrogène, de l'hélium ou du carbone – dans la région des éléments légers. Ceci nous a permis non seulement de mettre le pied dans la physique des faisceaux de noyaux exotiques mais également d'acquérir un savoir-faire dans les méthodes pour les produire et les accélérer en grandes quantités. Spiral 2 devrait aller plus loin en produisant des faisceaux de noyaux exotiques non plus seulement d'éléments légers, mais de tous les éléments quelles que soient leurs masses.
Comment fonctionnera-t-il ?
S. G. : La machine sera constituée d'un faisceau d'ions – des noyaux de deutérium, l'un des isotopes de l'hydrogène constitué d'un proton et d'un neutron – d'une intensité 100 fois supérieure à tout ce qui se faisait jusqu'à présent. Ceux-ci seront dirigés dans un accélérateur dit linéaire, où ils seront portés à des énergies de l'ordre de quelques dizaines de millions d'électronvolts. Avant d'être, enfin, précipités sur une cible en carbone. Nous produirons ainsi quelque 1014 neutrons par seconde qui seront guidés vers une autre cible faite, cette fois-ci, d'uranium. Ce sont les produits de la fission ainsi induite de l'uranium qui seront analysés pour y débusquer les noyaux exotiques.
Combien coûtera ce projet ?
S. G. : La phase d'avant-projet détaillé de Spiral 2 s'est achevée fin 2004. La machine a alors été évaluée à 130 millions d'euros. 35 millions seront fournis par le CNRS et le CEA pour le personnel. Le reste de l'investissement sera financé par le CEA, le CNRS, la région Basse-Normandie ainsi que par l'Europe, qui devrait apporter 20 millions d'euros dans le cadre du 7e programme-cadre de recherche et développement (PCRD). Le chantier devrait durer cinq ans. Et nous espérons avoir les premiers faisceaux dans le courant de l'année 2010.
Comment Spiral 2 se positionne-t-il par rapport aux autres projets européens ?
S. G. : À l'heure actuelle, la communauté scientifique européenne considère qu'il existe deux voies techniques pour produire des noyaux exotiques en suffisamment grande quantité pour qu'ils puissent être étudiés. Spiral 2 est une étape essentielle dans l'une d'entre elles, qui aboutira à la construction d'« Eurisol », la machine « ultime » qui sera discutée au niveau européen entre 2010 et 2015.
Outre Spiral 2, le ministre inaugurera, le 13 octobre prochain, d'autres installations autour du Ganil. De quoi s'agit-il ?
S. G. : Nous avons effectivement saisi l'occasion de l'Année mondiale de la physique pour proposer une manifestation, « Campus 2005 », qui consistera en trois lancements simultanés. Outre Spiral 2, nous inaugurerons un nouvel accélérateur d'ions très basse énergie, baptisé Aribe 4. Celui-ci devrait augmenter le potentiel du Ciril 5, un laboratoire (commun au CEA, au CNRS, à l'université et à l'ENSI de Caen) qui utilise les faisceaux d'ions du Ganil, non pas pour faire des collisions entre des noyaux, mais pour étudier certaines propriétés physico-chimiques de la matière au niveau des atomes. Comme, par exemple, le fait qu'un matériau soit isolant ou conducteur ou qu'il soit oxydant ou réducteur.
Enfin, le groupement de laboratoires pluridisciplinaire Cyceron 6, qui a pour objet de recherche principal les neurosciences, en particulier l'étude du cerveau in vivo, est lui aussi doté d'un nouvel équipement. Il vient d'obtenir un IRM (imagerie par résonance magnétique) à haut champ de 7 teslas. Un appareil comme il n'en existe que deux ou trois en France, qui devrait lui permettre d'étudier certaines fonctions du cerveau sain, comme la mémoire et la pensée. Ou d'en apprendre un peu plus sur certaines maladies comme Alzheimer.
Propos recueillis par Vahé Ter Minassian
LES NOYAUX EXOTIQUES
Sur Terre, il existe environ 250 noyaux non radioactifs, ou « stables ». Mais depuis les débuts de la physique nucléaire, les scientifiques s'intéressent aux noyaux radioactifs, ou « instables ». Si certains d'entre eux, comme le carbone 14 ou l'uranium 235, abondent sur Terre, d'autres ne s'y trouvent plus à l'état naturel. Ce sont les noyaux exotiques, dont beaucoup seraient formés dans les étoiles. À ce jour, plus de 2 000 de ces mystérieux objets ont été synthétisés. Mais les chercheurs estiment de 4 000 à 6 000 le nombre de ceux restant à découvrir.
RAPPEL
Le noyau d'un atome est constitué de protons et de neutrons. Un élément est défini par le nombre de protons de son noyau. Ainsi le carbone se caractérise par un noyau de six protons, l'azote sept, etc. Les isotopes sont les atomes d'un élément dont les noyaux contiennent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Ainsi, les isotopes naturels du carbone possèdent tous six protons, mais six, huit, dix neutrons ou plus.
1. Sydney Gales est également directeur adjoint scientifique pour la physique nucléaire à l'IN2P3, l'Institut national
de physique nucléaire et des particules du CNRS.
2. Grand accélérateur national d'ions lourds.
3. DSM : département des Sciences de la matière du CEA.
4. Accélérateur pour les recherches avec les basses énergies.
5. Centre interdisciplinaire de recherche ions lasers.
6. GIP Centre d'imagerie cérébrale et de recherche
en neurosciences.
Sydney Gales
IN2P3, Paris
gales@in2p3.fr