Une étrange réalité

Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

(Jean-Paul Ebran – Elias Khan)

La physique quantique mit en évidence des propriétés contre-intuitives qui bousculèrent le sens commun. Faut-il simplement ''faire avec'' ou, avec des philosophes, s'interroger sur ce qu'elles révèlent du réel ? Bohr et Einstein s'étaient opposés quant à l'interprétation à donner à la physique quantique.

Vous imaginez que le noyau d'un atome est sphérique ? Vous avez tort. Certains sont aplatis, d'autres en forme de poire, de banane, de bulle... Ernest Rutherford en 1911 présenta l'atome comme un système planétaire microscopique. Jusqu'alors l'atome ressemblait à un gâteau contenant des raisins secs. Il comprit qu'il était constitué d'un minuscule noyau hyperdense d'environ 10^-15mm chargé positivement, accompagné d'électrons. La mécanique affina ce schéma en faisant correspondre au cortège électronique un nuage plutôt que des orbites. Le noyau atomique est loin d'avoir livré tous ses secrets. La tâche est ardue de définir un cadre unique correspondant à la diversité des structure du noyau. Objet quantique s'il en est, constitué d'éléments complexes et associant dans sa dynamique trois des quatre forces fondamentales.

Comprendre la variété des structures du noyau impliquait la recherche des règles sous-jacentes par une approche théorique rendant compte des phases du noyau. Il importe de comprendre la structure du noyau avant d'en étudier les phases.

Le noyau est un assemblant de nucléons, les protons et les neutrons, ces nucléons sont constitués de quarks et de gluons. Le proton est composé de deux quarks u et d'un quark d, c'est l'inverse pour le neutron. La cohésion entre les quarks est assurée par l'interaction forte, véhiculée par des gluons faisant office de colle entre eux. L'interaction forte maintient la cohésion du noyau. La chromodynamique quantique qui décrit l'interaction forte montre une ''soupe'' d'une multitude de quarks et de gluons en interaction.

Pour étudier le noyau il faut tenir compte de 3 des 4 forces fondamentales (les interaction forte, faible et électromagnétique). Un défi mathématique, pour un noyau formé d'une dizaine ou de quelques centaines de nucléons il est difficile d'obtenir une description exacte. Le noyau peut présenter différentes phases découlant de la compétition entre la nature quantique des nucléons et leurs interactions. Les nucléons présentent des propriétés d'onde et de particule. Mathématiquement ils sont décrit par une fonction d'onde déterminant leur probabilité de présence.

Le noyau présente deux grandes caractéristiques, la dispersion spatiale des fonctions d'onde des nucléons et la distance moyenne entre ces particules. Le rapport de ces caractéristiques, le ''paramètre'' de phase'' permet de définir trois phases dans le noyau:liquide, moléculaire et cristalline.

Dans la majorité des cas, les nucléons formant le noyau s'organisent dans une phase de liquide quantique dont l'approche phénoménologique a été introduite par le physicien soviétique Lev Landau en 1956. dans cette phase, l'interaction des nucléons est importante mais ne suffit pas pour dominer l'agitation de ces derniers. Elle rappelle la phase liquide de la matière ordinaire où les molécules sont en interaction mais où l'agitation thermique reste importante. Dans cette phase le noyau présente une grande variété de comportements. Il se déforme lorsqu'il est excité et présente des formes exotiques, allant de la soucoupe au ballon de rugby en passant par la poire. 

La difficulté expérimentale pour étudier de nouvelles formes nucléaires et qu'elles apparaissent dans des noyaux instables, dont la durée de vie est de l'ordre de quelques nanosecondes à quelques millisecondes. Ces noyaux se désintègrent rapidement par interaction faible. La déplétion de matière en leur cœur est due à un effet spécifiquement quantique. Les noyaux instables représentent 95% des édifices nucléaires connus, les stables, tel celui de l'oxygène, n'en constituent que 5%. les expérience de notre siècle s'orientent vers une étude systématique de ces derniers. Nous découvrirons alors peut-être de nouveaux états de la matière qui nécessiteront d'affiner nos modèles, voire des formes et états que les physiciens n'ont pas encore imaginés.