Les neutrons et les protons sont présents dans le noyau de carbone sous forme de trois groupes de quatre. Selon l’état énergétique du noyau, ceux-ci peuvent être disposés en triangle équilatéral (à gauche) ou en bras légèrement plié (à droite). Crédit : Prof. Serdar Elhatisari/Université de Bonn
Une étude révolutionnaire révèle la structure interne d’un carbone atome, soulignant l’importance de l’État de Hoyle et offrant de nouvelles perspectives sur les arrangements des particules nucléaires. Ces recherches ouvrent la voie à de nouvelles découvertes en physique nucléaire.
À quoi ressemble l’intérieur du noyau d’un atome de carbone ? Une étude récente du Forschungszentrum Jülich, de l’Université d’État du Michigan et de l’Université de Bonn apporte la première réponse complète à cette question.
Dans l’étude, les chercheurs ont simulé tous les états énergétiques connus du noyau. Il s’agit notamment de l’état déroutant de Hoyle. S’ils n’existaient pas, le carbone et l’oxygène ne seraient présents dans l’univers qu’en infimes traces. En fin de compte, nous lui devons donc aussi notre propre existence. L’étude a été publiée dans la revue Communications naturelles.
Composition et dynamique du noyau
Le noyau d’un atome de carbone est normalement constitué de six protons et de six neutrons. Mais comment sont-ils disposés exactement ? Et comment leur configuration change-t-elle lorsque le noyau est bombardé par un rayonnement de haute énergie ? Depuis des décennies, la science cherche des réponses à ces questions. Notamment parce qu’ils pourraient fournir la clé d’un mystère qui a longtemps intrigué les physiciens : pourquoi y a-t-il une quantité importante de carbone dans l’espace – un atome sans lequel il n’y aurait pas de vie sur Terre ?
L’évolution élémentaire de l’univers
Après tout, peu de temps après le Big Bang, il n’y avait que de l’hydrogène et de l’hélium. Le noyau d’hydrogène est constitué d’un seul proton, celui de l’hélium de deux protons et de deux neutrons. Tous les éléments plus lourds n’ont été créés que plusieurs milliards d’années plus tard par des étoiles vieillissantes. Dans ceux-ci, les noyaux d’hélium ont fusionné en noyaux de carbone sous une pression immense et des températures extrêmement élevées. Cela nécessite la fusion de trois noyaux d’hélium.
« Mais il est en réalité très peu probable que cela se produise », explique le professeur Ulf Meißner de l’Institut Helmholtz de radiothérapie et de physique nucléaire de l’Université de Bonn et de l’Institut de simulation avancée du Forschungszentrum Jülich. La raison : les noyaux d’hélium ont ensemble une énergie beaucoup plus élevée qu’un noyau de carbone.
Cependant, cela ne signifie pas qu’ils fusionnent particulièrement facilement, bien au contraire : c’est comme si trois personnes voulaient sauter sur un manège. Mais comme ils courent beaucoup plus vite que les tours du manège, ils n’y parviennent pas.
L’État de Hoyle : une clé de la formation de carbone
Dès les années 1950, l’astronome britannique Fred Hoyle postulait donc que les trois noyaux d’hélium se réunissaient d’abord pour former une sorte d’état de transition. Cet « état de Hoyle » a une énergie très similaire à celle des noyaux d’hélium. Pour rester dans l’image : il s’agit d’une version du manège qui tourne plus vite, sur laquelle les trois passagers peuvent donc facilement sauter. Lorsque cela se produit, le carrousel ralentit jusqu’à sa vitesse normale.
«Ce n’est qu’en faisant un détour par l’État de Hoyle que les étoiles peuvent créer du carbone en quantité appréciable», explique Meißner, qui est également membre des domaines de recherche transdisciplinaires «Modélisation» et «Matière» de l’Université de Bonn.
Techniques de simulation avancées
Il y a une dizaine d’années, avec ses collègues américains du Forschungszentrum Jülich et de la Ruhr-Universität Bochum, il a réussi pour la première fois à simuler cet état de Hoyle.
«Nous avions déjà une idée de la façon dont les protons et les neutrons du noyau de carbone sont disposés dans cet état», explique-t-il. « Cependant, nous n’avons pas pu prouver avec certitude que cette hypothèse était vraie. »
Grâce à une méthode avancée, les chercheurs ont désormais réussi. Ceci repose essentiellement sur le confinement : en réalité, les protons et les neutrons – les nucléons – peuvent être situés n’importe où dans l’espace. Cependant, pour leurs calculs, l’équipe a limité cette liberté : « Nous avons disposé nos particules nucléaires sur les nœuds d’un réseau tridimensionnel », explique Meißner. « Nous ne leur avons donc autorisé que certains postes strictement définis. »
Temps de calcul : cinq millions d’heures de processeur
Grâce à cette restriction, il a été possible de calculer le mouvement des nucléons. Étant donné que les particules nucléaires s’influencent différemment en fonction de leur distance les unes par rapport aux autres, cette tâche est très complexe. Les chercheurs ont également exécuté leur simulation plusieurs millions de fois avec des conditions de départ légèrement différentes. Cela leur a permis de voir où les protons et les neutrons étaient le plus susceptibles de se trouver.
« Nous avons effectué ces calculs pour tous les états énergétiques connus du noyau de carbone », explique Meißner. Les calculs ont été effectués sur le supercalculateur JEWELS du Forschungszentrum Jülich. Ils ont nécessité un total d’environ cinq millions d’heures de processeur, avec plusieurs milliers de processeurs travaillant simultanément.
Révéler la structure du noyau
Les résultats fournissent effectivement des images du noyau de carbone. Ils prouvent que les particules nucléaires n’existent pas indépendamment les unes des autres. « Au lieu de cela, ils sont regroupés en groupes de deux neutrons et deux protons chacun », explique le physicien. Cela signifie que les trois noyaux d’hélium peuvent encore être détectés après leur fusion pour former le noyau de carbone. Selon l’état énergétique, ils sont présents dans différentes formations spatiales – soit disposées en triangle isocèle, soit comme un bras légèrement plié, l’épaule, l’articulation du coude et le poignet étant chacun occupés par un groupe.
Implications plus larges pour la physique nucléaire
L’étude permet non seulement aux chercheurs de mieux comprendre la physique du noyau de carbone. Meißner : « Les méthodes que nous avons développées peuvent facilement être utilisées pour simuler d’autres noyaux et mèneront certainement à des connaissances entièrement nouvelles. »
Le Forschungszentrum Jülich, l’Université d’État du Michigan (États-Unis), l’Académie chinoise d’ingénierie physique et l’Université de Bonn ont participé à l’étude. Le travail a été rendu possible grâce au financement de la Fondation allemande pour la recherche, de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, de l’Académie chinoise des sciences (CAS), de la Fondation Volkswagen, du Conseil européen de la recherche (ERC), du Département américain de l’énergie, de l’Agence nucléaire. Computational Low-Energy Initiative (NUCLEI) et Gauss Center for Supercomputing eV
