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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.