Le noyau atomique : liquide fissile ou molécule vitale ?

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COMMUNIQUÉ DE PRESSE NATIONAL I PARIS I 18 JUILLET 2012
Attention ! Sous embargo jusqu’au 18 juillet 2012 à 19h (heure française) !
Une nouvelle vision unifiant les deux aspects noyau-liquide et noyau-molécule est révélée
par une équipe de l’Institut de physique nucléaire d’Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et
du CEA, en collaboration avec l’Université de Zagreb. En faisant l’analogie avec les étoiles
à neutrons1, les chercheurs ont mis en évidence, pour la première fois, l’une des
conditions nécessaires à la formation, au sein du noyau atomique, de comportements
moléculaires. Ces derniers permettent notamment de comprendre la synthèse des
éléments indispensables à l’apparition de la vie. Ces travaux sont publiés dans Nature le
19 juillet 2012.
Le noyau atomique est généralement décrit comme une goutte de liquide quantique de l’ordre du
millionième de milliardième de mètre de diamètre. Ce comportement de type liquide explique notamment la
fission nucléaire, et s’applique préférentiellement aux noyaux lourds, c’est-à-dire ceux contenant beaucoup
de nucléons (les neutrons et les protons). En revanche, les noyaux légers2 peuvent se comporter comme
de minuscules « molécules » - ou agrégats - composés de neutrons et de protons à l’échelle du noyau. Cet
aspect moléculaire permet de comprendre la synthèse stellaire du carbone-12 ou d’éléments plus lourds,
nécessaires à l’apparition de la vie3.
Jusqu’à présent, les deux visions « noyau-molécule » et « noyau-liquide » co-existaient. Aujourd’hui, une
équipe de l’Institut de physique nucléaire d’Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et du CEA, en collaboration
avec des chercheurs de l’Université de Zagreb, livre une vision unifiée de ces deux aspects. En résolvant
des équations de physique quantique à l’échelle du noyau (et notamment l’équation de Schrödinger), les
chercheurs ont démontré que, si un noyau léger peut présenter un comportement de type moléculaire (qui
tend vers l’état cristallin), il adopte, lorsqu’il s’alourdit, un comportement de type liquide. Pour établir cette
nouvelle théorie, les physiciens se sont inspirés des étoiles à neutrons1. Plus on s’enfonce à l’intérieur de
ces étoiles, plus on passe d’un milieu cristallin à un milieu liquide. Grâce à cette analogie, les physiciens
ont identifié un mécanisme de transition de l’état liquide vers l’état cristallin du noyau. Lorsque les
interactions entre neutrons et protons ne sont pas assez fortes pour les fixer au sein du noyau, celui-ci est
alors dans un état de type liquide quantique où neutrons et protons sont délocalisés. À l’inverse, dans un
état cristallin, neutrons et protons seraient fixés à intervalles réguliers dans le noyau. La molécule nucléaire
est interprétée comme un état intermédiaire entre le liquide quantique et le cristal. À long terme, il s’agit de
comprendre de manière unifiée les différents états du noyau.
1 Le cœur d'une étoile massive qui s'effondre durant une explosion en supernova acquiert une densité si importante que protons et
électrons peuvent se combiner pour former des neutrons. L'astre qui se forme devient ainsi une sorte de noyau atomique géant
composé majoritairement de neutrons, d'où le nom de cette étoile.
2 Comme l’oxygène-16 (16O) qui contient 8 neutrons et 8 protons.
3 Ainsi, l’état de Hoyle du carbone-12, crucial pour la nucléosynthèse, est décrit comme une molécule nucléaire composée de trois
particules alphas ; une particule alpha est un agrégat de deux neutrons et de deux protons.
Le noyau atomique : liquide fissile ou molécule vitale ?

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© Luc Petizon, IPN Orsay
Vue d’artiste montrant les états moléculaires du noyau dans
un liquide.
© Jean-Paul Ebran/CE
A
Densité de probabilité de présence des neutrons et protons prédite pour le noyau
néon-20. On voit qu'elle n'est pas homogène: les neutrons et les protons se
répartissent par paquets.
Bibliographie
“How atomic nuclei cluster”, J.-P. Ebran, Elias Khan, T Nikšić et D. Vretenar, Nature, 19 juillet 2012
Contacts
Chercheurs l Elias Khan l T. 01 69 15 71 73 / 06 62 61 68 85 l [e-mail]
Jean-Paul Ebran l T. 01 69 26 67 54 l [e-mail]
Presse CNRS l Elsa Champion l T. 01 44 96 43 90 l [e-mail]