LE POUVOIR DE L IMAGINAIRE ( n° 543) :PARTICULES...CONSTRUIRE...DÉCONSTRUIRE ...ET MÊME ANNIHILER;;;;

Le sujet que je vais développer  a partir d’aujourd’hui  répond tout autant à la «  fabrication » possibles des tetraquarks  présentée dans mon article  d’avant-  hier  , dans  «  Le  Monde selon la physique » dec 2017   qu’à des commentaires ou questions  de lecteurs ( JEHMS)  sur la synthèse  de particules plus lourdes ……Très schématiquement exprimé , cela se résume à ce problème  : comment procéder   pour  donner une masse plus lourde à une particule X …….  et  à laquelle inversement  j’ajoute : comment  se produisent  les  déconstructions et plus encore  les annihilations de particules  ….

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Ne désirant pas parler des caractéristiques des  types de synthèse réalisées  par l’univers spatial,  dans la nucléosynthèse primitive , les  nucléo -synthèses stellaires  et les divers processus de spallation ( CE QUI NOUS MENERAIT TROP LOIN  ,)je vais m’en tenir à ce qui peut constituer  l’objet  des études  réalisables en laboratoire ou dans des installations d’études  spécialisées a l’heure actuelle  ….Par ailleurs , ne venez pas chercher aujourd’hui ICI  une réponse  à la question que l’on me posait le mois dernier  quand  de la matière  rentrait  dans un trou noir ou dans une étoile à neutrons  ou dans un quasar  ou un pulsar et ce qu’ elle devenait  ….

.Commençons à traiter la 1 ère partie…….

Historiquement   la synthèse d’éléments  plus lourds  a commencé dans la décade 1930-1940   par la découverte faite en France   de la radioactivité artificielle et des phénomènes de transmutation  par Fréderic et Irène JOLIOT CURIE …Ces physiciens et  les suivants  ont  travaillé avec les petits moyens de l’époque ( «  à la fortune du pot » !)  essentiellement avec des  sources naturelles  émettrices  de particules alphas  et d’électrons ….Bien entendu les moyens modernes  font appel à différents types  de particules  ou à des réacteurs   de types spécialisés  et permettant des niveaux d’activation ou  d’irradiation  bien plus importants

Traitons d’abord la questions des noyaux ( nucléons)

Pour rester schématique  le principe de création d'un noyau plus  lourd est simple. Mais sa mise en œuvre est souvent  complexe et le taux de réussite extrêmement faible….. Prendre un atome qui en bombarde un autre de sorte que les deux noyaux fusionnent, nécessite que  la cible soit plutôt  choisie déjà  lourde et le projectile  plutôt plus léger.

  Par exemple , il faut monter une manip   où un  atome de titane (Z=22)projectile , doit fusionner avec un atome de berkélium (97) cible, pour  arriver à créer l'élément 119 (22+97).

 Pour améliorer la probabilité de réussite des milliards de tirs  peuvent souvent  s’avérer être nécessaires pour espérer un tir au but   ….Et après il faut détecter cet événement parmi des milliers d'autres…..Et si  le temps de vie de l'élément est très  court il est plus que probable qu'il ne sera pas caractérisé chimiquement. Donc il faudra refaire la manip  N  fois ! En fait, c'est souvent  par  l'observation de la famille des éléments créés par la désintégration du noyau synthétisé mais trop vite disparu   , qu’on pourra remonter  jusqu’à lui…….

Quelques mots sur la cause de ces difficultés : dans la collision initiale, les particules doivent s'approcher suffisamment près pour que la force nucléaire forte (d'un rayon d'action très réduit : moins de 2 fm) puisse entrer en jeu. Mais comme les particules nucléaires ont normalement des charges positives par leur ionisation de mise en œuvre  , elles doivent alors  surmonter une répulsion électrostatique considérable. Même si le nucléide cible fait partie d'un atome neutre, l'autre particule doit s'approcher du noyau de charge positive. Par conséquent, il faut d'abord accélérer les projectiles à haute énergie .Ce sera  par exemple, par :un accélérateur de particules  ou par la production d’une température plasmatique  très élevée, quelques millions de degrés, produisant des réactions thermonucléaires, de type centro-stellaires. …

Sans traiter le problème dans  ses aspects théoriques ,  on peut facilement  concevoir que l’utilisation d’un  fournisseur d’énergie  tel qu’ un accélérateur  augmentera l’énergie cinétique  et aussi la vitesse   des particules projectiles ….   Sans nécessairement augmenter  énormément les probabilités de chocs  ,sur cible fixe,  puisque  la valeur de section de capture   et  de la densité des nucléons de celle-ci   intervient alors  ….Donc   les chocs élastiques  interviendront peu dans les transferts d’énergie  alors que les chocs inélastiques  augmenteront les probabilités  d’obtention de particules plus lourdes ….En revanche on peut présenter  aussi  des projectiles mobiles  sur des cibles mobiles    déjà porteuses d’énergie …... Ceci vous explique par exemple pourquoi  les expériences CERN  ont commencé par des  chocs de   jets  opposes d’électrons-positrons  au LEP  pour  se poursuivre par des chocs protons- protons au  LHC ou aussi  par  des cibles  mobiles de Z   lourds ……

 Quelques détails supplémentaires : Le choc de front de deux faisceaux de particules de sens opposés  libère toute l'énergie cinétique acquise lors de l'accélération  et si on réussit à  faire entrer en collision deux particules  opposées, chacune ayant l'énergie E, l'énergie dans le centre de masse sera égale à 2 E. Mais la densité des particules dans un  faisceau d'un accélérateur est beaucoup plus faible que la densité des noyaux dans une cible fixe. Donc pour obtenir un taux d'interaction décelable, il faut disposer de courants accélérés très intenses,  et en même temps   développer des techniques de stockage et d'accumulation des faisceaux etc ….. Les recettes ne font pas partie de cet article…

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Un de mes correspondants  m’a demandé ce que deviennent  ces électrons ou protons  ou TOUS  autres projectiles  hyper  accélérés. Avant le choc ,ils accumulent  un niveau d’énergie  renseigné par les formules d’Einstein  ….Par exemple  l’énergie d’un électron  très relativiste   de rapport v/c  de 0,999 sera multipliée  par un facteur  21 par rapport à son état « repos »v =0  …Mais il gardera même spin et même charge électrique  ….. Si donc vous envisageriez  de produire des muons  (sortes d’électrons lourds) ainsi  , vous n’y arriveriez pas car le rapport de masses à v=0 est déjà 207 fois plus grand  ……Il faut monter une manip différente  ( les muons ont été découverts à partir des rayons cosmiques ) avec des  chocs  de  faisceaux  de particules plus lourdes que l électron ….. et  SURTOUT  savoir sélectionner  et isoler  après  les muons  produits ….

 JE VOUS PARLERAI LA PROCHAINE FOIS DE TOUS CE QUE LE PHYSICIEN  A SU CRÉER ARTIFICIELLEMENT AUTOUR DES ISOTOPES STABLES ET EN VOICI LA PHOTO TRES COMPACTIFIÉE !!!

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 PS / Je ne traite pas ici du problème  industriel de la fusion de  l hydrogène   , telle que par exemple dans les tokomaks ou sur  ITER   et pas davantage  des fusions de type militaires ( bombe H)

 A SUIVRE