Les réactions nucléaires avec des noyaux lourds (ou avec des ions lourdsLa dénomination de « réactions avec des ions lourds » (en anglais : ) est courante dans la littérature scientifique, car les faisceaux des accélérateurs sont constitués d'atomes fortement ionisés (ions chargés positivement) pour qu'ils puissent être accélérés et guidés par des champs électriques et magnétiques.) sont des réactions provoquées par la collision de deux noyaux atomiques accélérés, soit naturellement comme les rayons cosmiques ou lors de la nucléosynthèse stellaire, soit artificiellement par des accélérateurs. On les distingue des réactions avec des particules légères (photons, protons, neutrons ou particule α) ; les noyaux du faisceau vont du plus léger comme le lithium (nombre de nucléons 6) aux plus lourds comme l'uranium ( 238).
Le paramètre essentiel est l'énergie cinétique des noyaux accélérés, qui se mesure en MeV par nucléon (traditionnellement notée MeV/A). Désormais, la gamme d’énergie accessible est très étendue, elle va de quelques MeV/A à quelques TeV/A (un facteur 10).
Il en résulte une très grande variété de phénomènes. Par exemple : à basse énergie, création de deux noyaux en sortie, proches des noyaux initiaux ; à plus haute énergie, multifragmentation (noyaux légers et nucléons isolés) et création de particules élémentaires nouvelles ; dissociation des nucléons eux-mêmes aux énergies ultrarelativistes.
Objectifs scientifiques Aux basses énergies (proches de la barrière coulombienne), les objectifs sont l’étude de la structure des noyaux et de leurs modes d’excitation, l’exploration de la vallée de la stabilité par création de noyaux radioactifs inconnus, dits exotiques : « Ces noyaux à durée de vie limitée, instables, radioactifs, [...] développent des structures inhabituelles (grande extension de matière, halo ou peau de neutrons, couches présentant de nouveaux nombres magiques) ».
Aux plus hautes énergies, on étudie les propriétés de la matière nucléaire et de ses différentes phases (liquide superfluide, gaz de nucléons et de fragments nucléaires, plasma quark-gluon).
Perspective historique Le début du est marqué par la découverte de la radioactivité naturelle. Les chercheurs démontrent très vite que les radioactivités α puis β sont des désintégrations nucléaires (Frederick Soddy et Ernest Rutherford, en 1903), puisque le noyau atomique après émission est différent du noyau initial. gauche|vignette|Laboratoire d'Ernest Rutherford (1905).
La première réaction nucléaire « artificielle » entre noyaux est mise en évidence par Rutherford en 1919, en bombardant des noyaux d'azote par des particules α (des noyaux d’hélium 4) issues d’une source radioactive ; il observe l’émission de protons, qui n’existaient pas auparavant et résultent donc de la réaction. De nos jours, on écrirait la réaction : + ⟶ + .
Le proton est éjecté après formation d'un noyau de fluor 18, excité et instable, résultant de la fusion de la particule α et de l'atome d'azote. Au bilan, il y a eu transmutation de l’azote en un isotope de l'oxygène.
Ce type de réactions nucléaires induites par des particules incidentes accélérées se développe avec l’apparition des premiers accélérateurs (1929, accélérateurs électrostatiques de type van de Graff ; accélérateurs utilisant les champs électromagnétiques, comme le cyclotron réalisé par l’équipe d'Ernest Lawrence à Berkeley à partir de 1932). Des quelques MeV obtenus au départ au TeV (million de MeV) du LHC au CERN, la gamme d’énergie et d’intensité des noyaux accélérés explose et ouvre de manière considérable les types de collisions nucléaires accessibles à l’expérience. vignette|Un détecteur (ALICE) du LHC au CERN (Noter l'échelle humaine, en bas à gauche) Depuis le milieu du , cette montée en puissance des accélérateurs, en partie due à la technologie des aimants supraconducteurs, et donc des énergies disponibles, fait progressivement diverger la physique nucléaire de la physique des particules.
Les nucléons ne sont pas des particules élémentaires, mais des assemblages de quarks et de gluons confinés. Dans le domaine des basses énergies (typiquement moins de ), la structure interne des nucléons n’intervient pas dans les réactions, les nucléons interagissent comme des composants indivisibles et la création de particules élémentaires nouvelles (comme les pions) est marginale : c’est le domaine de la physique nucléaire. Aux très hautes énergies, les interactions se font entre les constituants des nucléons et un nombre très important de nouvelles particules sont créées : c’est le domaine de la physique des particules. Aux énergies intermédiaires, c'est le domaine de la physique hadronique.
Lois de conservation dans les collisions nucléaires
Les lois de la mécanique quantique et de la relativité restreinte induisent la conservation de grandeurs physiques, quels que soient les systèmes considérés et les énergies mises en jeu. Parmi les grandeurs conservées dans les collisions d'ions lourds, les plus importantes sont : l'énergie. Selon la relativité restreinte, l’énergie totale qui est conservée, inclut l’équivalent en énergie de la masse des particules (), leur énergie potentielle nucléaire et coulombienne, leur énergie cinétique. Le bilan doit être effectué en tenant compte des corrections relativistes pour les vitesses proches de celle de la lumière, et l’équivalent en masse de l’énergie pour les réactions exothermiques ou endothermiques ; la quantité de mouvement (ou impulsion). Par exemple, l’émission d’une particule légère (alpha, beta ou gamma) par un noyau lourd provoque un recul du noyau émetteur, qui intervient dans le bilan de l'énergie. L'effet de recul est très important pour les collisions d'un noyau accéléré avec un noyau fixe ; dans un contexte relativiste, les deux lois précédentes se combinent dans la conservation du quadrivecteur impulsion-énergie ; le moment angulaire (ou moment cinétique) qui inclut le moment orbital (voir infra, lié au paramètre d'impact de la collision) et le spin des particules ; la charge électrique ; lorsque les réactions sont très violentes (voir infra), les seuils de création de nouvelles particules sont dépassés ; d’autres lois de conservation spécifiques aux particules élémentaires doivent être vérifiées ; par exemple, celle du nombre de baryons (à basse énergie, conservation du nombre de nucléons).
Ces lois contraignent fortement la dynamique de la collision, comme l'énergie disponible pour la réaction.
Énergie maximale disponible dans les réactions
Lorsque les noyaux d’un faisceau accéléré interagissent avec ceux d’une cible fixe, les lois de conservation ci-dessus donnent une limite maximale à la part de l’énergie cinétique disponible pour la réaction. La figure ci-dessous donne cette limite dans l’hypothèse (rarement atteinte) où les deux noyaux fusionnent complètement, sans émission de particules.
gauche|vignette|300x300px|Energie maximale disponible dans une réaction entre ions lourds (cible fixe) ; cette limite hypothétique correspond à une fusion complète entre les 2 noyaux.
Jusqu’à des énergies de par nucléon, on retrouve les résultats de la mécanique classique. Pour un faisceau de noyaux de masse et d'énergie cinétique impactant une cible fixe de noyaux de masse , l’énergie totale maximum disponible est celle du faisceau incident modulée par un facteur prenant en compte le recul :
Lorsque les noyaux de la cible et du faisceau sont identiques, 50 % de l’énergie du faisceau est disponible pour la réaction, le reste est l’énergie cinétique de recul des noyaux fusionnés. Plus les noyaux de la cible sont lourds, plus le recul est atténué et la part de l’énergie disponible augmente.
La cible est donc souvent constituée des noyaux plus lourds (faisceaux de noyaux plus légers) pour maximiser l'énergie disponible. Cependant, les réactions en cinématique inverse (noyaux légers dans la cible) sont utilisées, car avec l'effet de recul et l'entrainement du centre de masse dans le laboratoire, les produits de la réaction ont des vitesses plus grandes et sont plus focalisés vers l'avant, ce qui facilite leur collecte pour identification et analyse.
Le faisceau est composé de noyaux de masse au repos ayant une vitesse dans le laboratoire ; la cible fixe (vitesse nulle) est composée de noyaux de masse ; après la réaction, dans l'hypothèse de la fusion complète, est formé un noyau de masse relativiste , avec la vitesse de recul .
Les coefficients relativistes et sont des facteurs sans dimension, définis par : et .
L'énergie cinétique du noyau incident est et donc
La conservation de la quantité de mouvement s'écrit : .
Celle de l'énergie (masse) : .
En éliminant dans les 2 équations, on obtient la vitesse de recul dans le laboratoire : : et la masse relativiste du noyau de recul : .
Et son énergie cinétique .
La différence est l'énergie disponible pour la réaction :
Le rapport de l'énergie disponible sur l'énergie initiale est
A la limite classique , et . L'énergie disponible est donnée par le rapport : .
Il est de 50 % lorsque les masses des noyaux du faisceau et de la cible sont identiques et il augmente avec la taille de la cible.
Au-delà de 100 MeV par nucléon, les effets relativistes limitent fortement l’énergie disponible. Aussi la physique des hautes énergies utilise-t-elle les collisionneurs, dans lesquels on provoque les collisions frontales de noyaux « circulant en sens inverse », ce qui supprime l’effet de recul ; la part « théorique » de l’énergie disponible est de 100 % de l’énergie totale des deux faisceaux.
Paramètres des collisions nucléaires
De nos jours, une grande variété de réactions nucléaires est accessible à l'expérience. De nombreux laboratoires en Europe et dans le monde offrent aux chercheurs une vaste palette de faisceaux, mais aussi de détecteurs performants pour analyser les produits de réaction (cf. la liste des infrastructures de recherche nucléaires européennes dans le rapport établi en 2017 par le NUPECC - ). Les paramètres intervenant dans la dynamique des réactions sont :
Choix des noyaux (ou particules) du faisceau et des noyaux de la cible
Historiquement les premiers « faisceaux accélérés » étaient des noyaux de issus de sources radioactives, donc d’énergie peu modulable ; la mise en place des accélérateurs va étendre les gammes d’énergie accessibles pour, dans un premier temps des faisceaux de protons et de ionisés, puis des noyaux stables plus lourds comme les faisceaux de ou de (voir article Synchrotron) ; les expériences récentes au CERN utilisent des faisceaux de et le GANIL produit des faisceaux d' .
Le choix de la cible parmi les noyaux stables est contraint notamment pour des cibles minces solides, par des considérations de tenue mécanique, vu l’énergie déposée par les faisceaux de haute intensité et de haute énergie techniquement possibles actuellement. Par ailleurs, utiliser des noyaux stables s’avère trop limité pour explorer la totalité de la vallée de la stabilité.
La technique des faisceaux radioactifs (c’est-à-dire des noyaux produits par une réaction primaire et de durée de vie suffisamment longue pour que l’on puisse les ioniser et les accélérer) s’est développée par exemple au GANIL de Caen (projet Spiral 2) ou au GSI- Darmstadt avec un anneau de stockage (voir la section Faisceaux radioactifs de la page Noyau exotique).
Énergie cinétique des noyaux du faisceau,
Sachant que le domaine des réactions nucléaires se situe aux énergies inférieures à 100 MeV par nucléon ; au-delà de quelques centaines de MeV, on entre dans le domaine de la physique hadronique avec les énergies relativistes (de l'ordre du GeV/A) et ultrarelativistes (de l'ordre du TeV/A).
Paramètre d’impact
vignette|440x440px|Le paramètre d'impact détermine le caractère central ou périphérique des collisions entre noyaux.
Le paramètre d’impact détermine le caractère central ou périphérique de la collision.