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Physique

Une découverte de l'Université de Tel-Aviv jette une nouvelle lumière sur le fonctionnement du noyau atomique

D’après une étude réalisée sous la direction du Prof. Eli Piasetzky de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Tel-Aviv, par la chercheuse Meytal Duer, la vitesse de déplacement des particules dans le noyau nucléaire est beaucoup plus élevée qu'on ne le pensait. Selon les chercheurs, la découverte est importante, entre autres, pour l’étude des étoiles à neutrons, les plus denses de l’univers, liées à la fabrication des éléments chimiques lourds comme l’or ou le plomb, et pour la compréhension du monde dans lequel nous vivons, composé tout entier de ces particules.

Accelerateur JeffersonL'étude, à laquelle ont participé des chercheurs du MIT et de l'Université ODU en Virginie, a été publiée lundi dans la revue Nature.

"Toute la matière qui compose notre univers, depuis notre corps jusqu'aux étoiles, est faite d'atomes. Chaque atome est constitué d'un noyau contenant des protons et des neutrons qui forment ensemble des nucléons, et d'électrons qui tournent autour", explique le Prof. Piasetzky. "C'est pourquoi toute découverte concernant le noyau de l'atome est importante, d'une manière ou d'une autre, pour la compréhension de notre univers dans son ensemble".

L'importance des protons

La découverte actuelle, qui a trait à la vitesse de déplacement des particules dans le noyau de l'atome, constitue une contribution importante, entre autre, pour l'étude des étoiles à neutrons, les plus petites et les plus denses du cosmos, dont la fusion est probablement à l'origine de la formation des éléments lourds de notre univers.

Pour examiner ce qui se passe dans le noyau de l’atome, les scientifiques utilisent des accélérateurs de particules, qui génèrent des faisceaux à haute énergie et en "bombarde" les noyaux jusqu'à ce qu'ils se décomposent. Les produits de la décomposition sont mesurés par des détecteurs hypersensibles, et les résultats permettent aux chercheurs de reconstituer l'événement, et d'en tirer des conclusions sur la structure du noyau atomique et ce qui se passe à l'intérieur. L'étude actuelle a été réalisée dans l'accélérateur d'électrons Jefferson en Virginie, aux États-Unis.

eli piasetsky"On sait que les protons et les neutrons (les nucléons) se déplacent dans le noyau", explique le Prof. Piasetzky. "Généralement les nucléons se déplacent seuls, mais nous avons découvert dans de précédentes études qu'ils forment parfois des couples. Nous avons également constaté que les nucléons en couplent se déplacent beaucoup plus vite que les autres. Alors que les nucléons seuls se propulsent relativement lentement, à une vitesse qui excède rarement 20 pour cent de la vitesse de la lumière, les couples de nucléons accélèrent, atteignant jusqu'à 60 pour cent de la vitesse de la lumière".

Dans cette étude, les chercheurs ont choisi d'examiner des noyaux d'atomes de matériaux lourds, tels que le plomb. "Dans les noyaux lourds, le nombre de neutrons est nettement plus élevé que celui des protons", poursuit le Prof. Piasetzky. La raison en est simple: les protons possédant une charge électrique positive, ils se repoussent l'un l'autre, et il est difficile d'en relier un grand nombre ensemble dans un noyau stable. Les neutrons, par contre, n'ont pas de charge électrique et peuvent plus facilement se regrouper ensemble en plus grand nombre. Ainsi, dans le noyau d'un atome de plomb, par exemple, il y a 126 neutrons et seulement 82 protons.

Comprendre le monde dans lequel nous vivons de l'infiniment petit à l'infiniment grand

On pourrait penser que lorsqu'il y a beaucoup plus de neutrons, il y a beaucoup plus de chances que se forment des couples de neutrons. Cependant les chercheurs ont constaté que la grande majorité des couples est constituée de protons et de neutrons. "On pourrait comparer ce processus à une soirée où il y aurait 1,5 fois plus d'hommes (neutrons) que de femmes (protons)", explique le Prof. Piasetzky. "Les femmes ont alors une bien meilleure chance de danser avec un partenaire, ou autrement dit, à tout moment, le pourcentage de protons en couple est plus élevé que celui de neutrons en couple. Et donc, puisque la vitesse des particules en couple est supérieure, le taux de protons présentant une énergie cinétique accrue est plus élevé. Cette découverte est susceptible de transformer considérablement notre compréhension du fonctionnement des étoiles à neutrons: dans chacune d'elle, un petit pourcentage de protons affecte les neutrons qui leur sont proches, comme cela se produit dans les noyaux. Les protons semblent très actifs, et nous pensons qu'ils peuvent déterminer certaines propriétés de l'étoile".

Les chercheurs ont également examiné l’importance de cette découverte pour les particules nommées 'quarks', éléments constitutifs des neutrons et des protons. Les résultats de cette étude sur le mouvement des quarks dans les paires de nucléons seront publiés prochainement.

"Nos travaux se situent dans le domaine de la recherche fondamentale, et n'ont pas forcément d'applications immédiates", conclut le Prof. Piasetzky. "Mais l'univers tout entier étant composé de ces particules que nous étudions, nos résultats ont une grande importance pour la compréhension du monde dans lequel nous vivons, de l'infiniment petit à l'infiniment grand".

 

Sur la photo: le spectromètre CLAS du laboratoire de l'accélérateur Jefferson aux Etats-Unis, utilisé pour réaliser les mesures.

Un super-lubrifiant supprimant l'usure mécanique développé à l'Université de Tel-Aviv

Les Prof. Michael Urbakh et Oded Hod de l'École de chimie de l'Université de Tel- Aviv ont mis au point une technologie de lubrification révolutionnaire qui élimine presque complètement le frottement entre les surfaces en contact, empêchant ainsi l'usure mécanique et réalisant d'importantes économies d'énergie. L'étude, réalisée en collaboration avec les Prof. Ming Ma et Quan-shui Zheng de l'Université Tsinghua à Pékin dans le cadre du Centre Xin pour l'innovation conjoint aux deux universités, pourra avoir une infinité d'applications dans les domaines les plus divers, des moteurs aux articulations de notre corps, impactant tous les domaines de notre vie.

Super lubrifiantElle a été publiée cette semaine dans la prestigieuse revue Nature Materials.

"Le frottement est une force physique de base qui existe dans tous les systèmes mécaniques. Il constitue souvent un élément essentiel pour leur fonctionnement, mais provoque également une érosion et une perte d'énergie considérables", explique le Prof. Urbakh. " On estime qu'environ 30% de l'énergie fournie par le carburant des véhicules est perdue en raison de ce phénomène de friction. C'est pourquoi les scientifiques du monde entier tentent de développer des systèmes qui réduisent le plus possible le niveau de frottement entre les entités. En 1993, un groupe de chercheurs japonais a inventé le concept de 'super-lubrification' pour démontrer l'existence théorique possible d'un état de friction ultra-bas ou nul entre des surfaces en mouvement. Cependant, à ce jour, aucun véritable système de 'super-lubrification' n'a été mis en œuvre dans des dispositifs mécaniques de plus de quelques nanomètres (milliardième de mètre)".

Un frottement réduit de mille fois

michaelurbakh2Les chercheurs ont mis au point un mécanisme de lubrification révolutionnaire qui réduit le frottement entre les surfaces à quasiment zéro, et peut s'adapter à un large éventail d'applications pratiques. "L'étude est basée sur des travaux théoriques de l'Université de Tel-Aviv, portant sur le graphène, matériau bidimensionnel cristallin dont l'empilement constitue le graphite", explique le Prof. Hod. "Selon ces travaux, l'interface entre la surface du graphène et celle du nitrure de bore hexagonal (ou h-BN, également connu sous le nom de graphène blanc) devrait présenter un aspect super-lubrifiant quelque soit l'orientation des surfaces. Cela signifie que si l'on recouvre deux composants mécaniques qui se déplacent l'un sur l'autre, l'un de graphite (multi-couches de graphène) et l'autre de graphène blanc (multi-couches de h-BN), on pourra obtenir le lubrifiant le plus efficace possible". La raison réside dans la structure cristalline des deux surfaces. Les atomes des deux matériaux sont disposés en couches, chaque couche ressemblant à une ruche d'hexagones. Mais les hexagones du graphène blanc sont légèrement plus grands que ceux du graphène. De ce fait, les deux surfaces ne sont jamais en parfaite adéquation et glissent donc facilement l'une sur l'autre dans toutes les directions. Ceci par comparaison avec deux surfaces faites du même matériau, qui ont la même structure, et donc s'emboitent l'une dans l'autre (Imaginez deux boites d'œufs parfaitement empilées l'une sur l'autre ...).

Des applications infinies

odedhodLes chercheurs de l'Université de Tsinghua associée à l'Université de Tel-Aviv dans le cadre du Centre Xin, ont réalisé une série d’expériences mettant cette théorie en pratique, obtenant des résultats impressionnants avec des structures carrées de 3 microns de côté, présentant une surface de contact un million de fois plus grande que dans les expériences précédentes, réalisées sur des interfaces de graphène à l'échelle nanométrique seulement. "Leurs mesures, étayées par nos calculs, ont montré un frottement ultra faible entre les deux surfaces, glissant l'une sur l'autre sous n'importe quel angle", explique le Prof. Hod. "En fait, ce lubrifiant réduit de mille fois le frottement par rapport au niveau de friction mécanique que nous connaissons tous dans la vie quotidienne".

"Nous attendons des applications infinies de cette technologie que nous avons développé", conclut le Prof. Urbakh. "Des surfaces d'une taille de plusieurs microns, comme celles que nous avons testées, peuvent convenir dès aujourd'hui à des appareils minuscules, comme des composants d'horloges, des dispositifs micro-électromécaniques tels que des capteurs accéléromètres, des capteurs chimiques ou des dispositifs piézoélectriques. Dans l'avenir on pourra également développer des surfaces plus grandes, qui pourront être installées dans les moteurs de voitures, les paliers de satellites, et peut-être même dans les corps vivants. De tels systèmes de superlubrifiants économiseront une énorme quantité d'énergie et préviendront l'érosion et l'usure dans tous les types de mécanismes, des moteurs aux articulations de notre corps en passant par les seringues médicales".

 

Cet article a été publié sur Siliconwadi.fr le 3.08.2018.

Une révélation que les scientifiques ont hésité à dévoiler: les physiciens de l'Université de Tel-Aviv ont découvert une source d'énergie 10 fois plus puissante que l'énergie nucléaire

Les Prof. Marek Karliner de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Tel-Aviv et Jonathan Rosner de l'Université de Chicago ont constaté que la fusion des particules élémentaires qui constituent les protons et les neutrons, connus sous le nom de quarks, produit une énergie 10 fois supérieure à celle de la fusion nucléaire, et donc de celle qui se déroule dans une bombe à hydrogène. Mais, bien que la découverte suscite un grand intérêt sur le plan théorique, elle ne peut avoir aucune implication dangereuse pratique, nous rassurent les chercheurs.

nuclear bomb 580Avec le pouvoir de la connaissance vient aussi une grande responsabilité. La découverte de la fission nucléaire dans les années 30 du siècle dernier a donné naissance à des applications merveilleuses et à d'autres horribles : l'énergie nucléaire d'une part,  plus propre que la combustion du charbon ou du carburant, et l'arme nucléaire de l'autre, la plus destructrice de l'histoire de l'humanité.

Aussi, lorsque les Prof. Marek Karliner et Jonathan Rosner ont réussi à calculer la quantité d'énergie qui peut être produite à partir de la fusion de différents types de quarks, particules élémentaires qui comptent parmi les éléments les plus basiques de la matière de l'univers, et ont constaté qu'elle est peut être 10 fois plus grande que celle produite par la fusion nucléaire, nul ne s'étonnera qu'ils aient envisagé de garder leur découverte secrète.

Fusion des quarks

"La fusion nucléaire est un processus connu, au cours duquel deux noyaux atomiques fusionnent, émettant de l'énergie. Cette réaction se produit de manière naturelle au cœur de la plupart des étoiles de l'univers, comme notre soleil; malheureusement les humains ont appris à l'utiliser dans les bombes à hydrogène", explique le Prof. Karliner. "Aujourd'hui on fait des expériences pour utiliser ce processus pour produire de l'énergie par fusion nucléaire, mais elles n'ont pas atteint le niveau industriel. Parallèlement, les scientifiques se demandent depuis longtemps s'il existe aussi un processus de fusion entre des particules plus petites encore: les quarks, éléments de base de la matière de l'univers. Les quarks peuvent être légers ou lourds; il en existe 6 sortes, qui se relient entre elles pour former d'autres particules, notamment les baryons dont les représentants les plus connus sont les protons et les neutrons qui se trouvent dans le noyaux atomique".

marek karliner AIl y a quelques mois seulement, des spécialistes de physique expérimentale de l'accélérateur de particules du CERN près de Genève, ont découvert une nouvelle sorte de baryons contenant deux quarks lourds, du type dit "charmé" et un quark léger. La masse de la nouvelle particule avait d'ailleurs était prédite avec exactitude dès 2014 par le Prof. Karliner et son collègue américain. La découverte expérimentale, qui confirme la prédiction théorique, a fait des vagues dans la communauté scientifique mondiale.

Le Prof. Karliner et le Prof. Rosner ont compris que la mesure précise de la masse de cette nouvelle particule leur permettait pour la première fois de simuler le processus de fusion au niveau des quarks, et d'en calculer les résultats. "Nous avons calculé ce qui se passe lorsqu'un baryon du type de celui découvert dans l'accélérateur du CERN est produit par la fusion de deux baryons contenant chacun un quark 'charmé' ", explique le Prof. Karliner. " Dans le cas d'une telle fusion les quarks se relient en fait de manière beaucoup plus efficace: les deux quarks lourds, qui étaient auparavant complètement séparés, se lient puissamment ensemble, émettant une grande quantité d'énergie. En d'autres termes, la liaison plus efficace des quarks à l'intérieur des baryons libère de l'énergie, tout comme c'est le cas pour les protons et les neutrons dans le processus de fusion nucléaire normal".

Impossible d'accumuler la "matière première"

" Compte tenu de la masse des particules concernées, avant et après la fusion, il est possible de calculer avec précision la quantité d'énergie émise, en utilisant la formule bien connue d'Albert Einstein, e = mc²". Le calcul a montré que la quantité d'énergie émise par la fusion de deux baryons contenant un quark charmé est de 12 millions d'électrons-volts, quantité similaire à celle émise par la fusion nucléaire de deux isotopes lourds de l'hydrogène.

Les chercheurs ont ensuite cherché à calculer ce qui se passerait dans le cas de la fusion de deux quarks du type "bottom" ( en bas), 3 fois plus lourds que les quarks charmés. Dans la mesure où leur prévision de la masse du baryon à deux quarks charmés découvert au CERN s'était avérée exacte, ils se sont appuyés sur une autre prévision du même article de 2014 concernant cette fois la masse du baryon à quarks "bottom". Le calcul a montré que la quantité d'énergie produite dans un tel cas est presque 10 fois supérieure à celle produite par la fusion nucléaire.

"Il est important de souligner que même si nos résultats ont suscité un grand intérêt sur le plan théorique, ils ne peuvent pas avoir d'application pratique", conclut le Prof. Karliner. " La fusion nucléaire qui se produit dans un réacteur géant comme celui du CERN, ou dans une bombe à hydrogène, est une réaction en chaîne résultant de l'accumulation de particules innombrables, créant une énorme quantité d'énergie. Rien de tel n'est possible dans le cas de la fusion de quarks lourds, justement parce qu'il n'est pas possible d'accumuler la "matière première" nécessaire au processus de fusion. Les quarks lourds se décomposent en un dixième de picoseconde (billionnième de seconde) après leur création. Si nous avions pensé un instant que notre découverte pourrait avoir une quelconque application dangereuse, nous ne l'aurions pas publié ".

 

Cet article a été publié sur Siliconwadi.fr sous le titre: "Israël: découverte d'une énergie 10 fois plus puissante que le nucléaire"

 

Un physicien de l'Université de Tel-Aviv anticipe avec exactitude une découverte du CERN

Le Prof. Marek Karliner, spécialiste de physique des particules élémentaires de l'Ecole de Physique et d'Astronomie de l'Université de Tel Aviv a prédit avec précision il y a trois ans, avec un collègue des États-Unis, la masse d'une particule subatomique qui vient d'être observée pour la première fois il y a deux semaines dans  l'accélérateur de particules géant du CERN, près de Genève. Cette mesure permettra d'approfondir considérablement la compréhension de la force qui maintient les atomes ensemble.

CERNIl y a deux semaines, les scientifiques du CERN, le Conseil européen pour la recherche nucléaire, ont annoncé la découverte expérimentale d'une particule, surnommée  Xi-cc ++. La masse de cette particule, mesurée par les chercheurs au cours de l'expérimentation, s'est avérée identique à 99,8% à celle prédite voilà trois ans par le Prof. Karliner, expert en physique théorique de l'Université de Tel-Aviv. La nouvelle particule a été présentée en détails lors du Congrès de la Société européenne de physique sur la physique des hautes énergies, qui s'est déroulé à Venise du 5 au 12 juillet.

La force forte du noyau atomique

Elle mettra en lumière la nature des forces qui retiennent ensemble les quarks, particules élémentaires qui constituent les protons et les neutrons, eux-mêmes éléments de base des noyaux atomiques

"La quasi-totalité de la matière de l'univers qui nous entoure est composé de neutrons et de protons, qui constituent le centre des atomes", explique le Prof. Karliner. "Ceux-ci se composent de parties plus petites, appelées quarks. Les quarks peuvent être légers ou lourds, et il en existe six sortes différentes, qui se combinent entre elles de diverses manières pour créer d'autres types de particules".

marek karliner ALa force agissante qui maintient ces quarks ensemble est appelée "force forte". C'est l'une des quatre forces fondamentales de la nature, avec  la force électromagnétique, la force faible responsable de la radioactivité et la force de gravité. "La force forte permet la cohésion des noyaux atomiques", explique le Prof. Karliner.  "Sa puissance est 1038 fois plus grande que celle de la force de gravité. Mais elle ne peut s'exercer que dans le périmètre du noyau atomique".

La force forte relie les quarks en particules appelées hadrons. Il y a deux sortes de hadrons : les baryons et les mésons. "Les baryons observés jusqu'à ce jour étaient composés de trois quarks légers ou bien d'un quark lourd et deux légers. Mais parmi les experts existait un consensus absolu sur le fait qu'il devait également exister des baryons composés de deux quarks lourds et un léger. Le défi était de prévoir à partir de la théorie, les différentes caractéristiques de ce trio, et d'abord et avant tout sa masse ", explique le Prof. Karliner.

La prévision la plus précise

Dans un article écrit en 2014, en collaboration avec le Prof. Jonathan Rosner de l'Université de Chicago, lui-même ancien post-doctorant du Prof. Yuval Neeman à l'Université de Tel- Aviv, le Prof. Karliner a calculé toutes les combinaisons possibles de deux quarks lourds et un léger.

 "Dans notre article, nous avions prévu la masse de la particule et certaines de ses autres caractéristiques qui n'ont pas encore été mesurées. La masse qui a été effectivement mesurée par les scientifiques du CERN est de 3621 plus ou moins 1, dans des unités de mesure appelées MeV. Nos prévisions d'il y a trois ans était de 3627 plus ou moins 12. Notre erreur de prédiction est donc  inférieure à 0,2% par rapport à ce qui a été réellement découvert. Beaucoup de chercheurs avant nous avaient essayé de prédire cette masse en utilisant différentes méthodes de calcul, mais il s'avère que nos prévisions étaient les plus précises. La nouvelle particule est presque 4 fois plus lourde que le proton, et sa charge électrique est le double de la sienne ".

Selon les chercheurs, la mesure de la particule ++ Xi-cc  va permettre d'approfondir considérablement la compréhension de la force qui relie les quarks entre eux et assure la cohésion de l'atome. L'équipe de recherche du CERN va à présent mesurer d'autres caractéristiques de cette particule, et s'efforcer d'en trouver d'autres contenant deux quarks lourds.

" Le premier élément de mesure que j'attends avec impatience est celui de la moitié de la vie de la particule, à savoir le temps qu'il lui faut pour se désintégrer en particule plus légère. Cette donnée a également été calculée dans nos recherches, et j'ai hâte de savoir si nos prévisions s'avéreront exactes dans ce cas également" conclut le Prof.  Karliner.

 

Cet article a été publié sur Siliconwadi.fr sous le titre: "Particule subatomique: les précisions vérifiées d'un physicien israélien"

Deux physiciens de l'Université de Tel-Aviv inventent les blocs LEGO électriques

Pour faire comprendre à son jeune fils les principes de l'électronique, le Dr. Boaz Almog, chercheur à l'Ecole de physique de l'Université de Tel-Aviv, a créé, en collaboration avec son doctorant Amir Saraf, un dispositif permettant aux enfants de transformer toutes leurs créations LEGO en machines motorisées capables d'accomplir des fonctions multiples, et a déjà réussi à lever plus d'un million de dollars pour la fabrication du produit, nommé BRIXO Electric Bricks.

Amir Saraf left and Boaz Almog playing with BRIXOLe Dr. Almog, spécialiste de physique quantique, et son doctorant Amir Saraf ont décidé d'utiliser un jeu aimé des enfants, le Lego, pour les encourager à explorer le monde de la physique. Pour ce faire, ils ont créé un dispositif qui permet de transformer les créations Légo les plus simples en machines animées et éclairées, capables d'exécuter toutes sortes d'opérations, tout en "enseignant" au passage les principes de base de l'électronique.

Un produit high-tech pour enfants

Recouvertes d'un revêtement en chrome et munies de capteurs, les nouvelles briques de Légo, nommées BRIXO, ajoutent des lumières Led, des blocs moteurs, des blocs de déclenchement et des capteurs de proximité aux modèles Lego classiques. Elles sont compatibles avec les blocs de construction Lego existants, ce qui en fait un produit high-tech pour enfants.

Le Dr. Almog a eu l'inspiration de Brixo en regardant son fils jouer avec un kit d'expérimentation électrique pour enfants. "Il se trouvait devant une forêt de fils électriques enchevêtrés" raconte-t-il, "et ne pouvait pas distinguer le circuit qu'il avait lui-même câblé". C'est alors qu'il a eu l'idée de concevoir des blocs de construction sans fil qui conduisent l'électricité.

Les blocs Brixo possèdent des capteurs intégrés et des puces Bluetooth, "qui permettent de programmer à peu près n'importe quel modèle" expliquent les chercheurs. "Avec des briques qui peuvent être activées par le son, la lumière et le toucher il n'y a pas grand-chose que vous ne puissiez faire", expliquent-ils. Par exemple régler le réveil d'un téléphone sur l'achèvement de la construction d'une pyramide en blocs BRIXO, ou une veilleuse qui s'allume quand un enfant dit un certain mot de passe. "Les possibilités sont à peu près infinies".

Des Lego "sous stéroïdes"

En 2013, les deux physiciens fondent la société Quantum Experience, spécialisée dans le domaine de la lévitation magnétique, pour mettre les principes de la physique quantique à la portée du public. Puis en 2015, ils créent la société BRIXO Smart Toys. "La science et la technologie nous entourent", commente le Dr. Almog. "Mais la compréhension des principes qu'en tant que physiciens nous considérons comme basiques est encore loin d'être passée dans la conscience du grand public."

Pour financer leur projet, le Dr. Almog et son partenaire se sont tournés vers le financement communautaire (crowdfunding) et sont déjà parvenu à lever plus d'un million de dollars. "Cette campagne réussie nous a déjà apporté de multiples demandes de coopération avec des distributeurs du monde entier, et dès qu'elle sera achevée, nous entamerons des négociations" a annoncé le Dr. Almog. "Les briques électriques BRIXO sont des blocs de construction de taille normale qui sont tout sauf normaux. Ce sont des LEGO 'sous stéroïdes'" plaisante l'équipe sur sa page de crowdfunding. " Ils sont alimentés par une batterie basse tension intégrée et revêtus de chrome non toxique sûr. Il s'agit en fait de briques qui conduisent l'électricité en toute sécurité et se connectent même à votre téléphone pour ajouter un fantastique élément d'interactivité".

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