Dans les manuels scolaires, les noyaux des atomes sont figurés par des sphères.

Mais une équipe internationale du Cern (Genève) bouscule Bette image d'Epinal et valide les dernières théories (article suivant) en montrant que certains atomes exotiques prennent une forme asymétrique de poire.
L'expérience a consisté à accélérer des noyaux radioactifs de radium 224 et de radon 220 jusqu'à ce qu'ils se fracassent. Le choc excite les atomes, qui perdent leur excés d'énergie en émettant un rayonnement gamma - ce dernier trahissant la forme du noyau. C'est ainsi que le noyau de radium 224 a révélé une forme constante de poire, quand celui de radon 220 l'adopte périodiquement. Dans ce cas, une des extrémités du noyau comporte une plus grande masse de protons et de neutrons. Cela suggère que les charges électriques ne seraient pas non plus réparties de manière équilibrée. Une découverte essentielle, car il deviendrait possible de mesurer le moment dipolaire électrique (séparation des changes positives et négatives) de ces atomes, ce qui aboutirait à une nouvelle physique de la matière.

On croyait l'affaire réglée : pour la théorie, le noyau d'un atome se résumait à une grappe de particules collées ensemble. Problème : des expériences révélaient des configurations atomiques... inexplicables ! C'était avant que deux jeunes chercheurs français élucident ce qui se passe vraiment au cour de la matière. Un exploit.

Ni une sorte de framboise ou de mûre, ni une grappe de raisin : le noyau de l'atome n'a finalement rien de la boule de particules figées les unes contre les autres qui figure dans toutes les encyclopédies ! Voilà qui dit assez la portée de la nouvelle vision du cour de l'atome que viennent de proposer deux physiciens, avec cette fois le gros avantage de coller à la réalité. D'où il ressort que le noyau est un amas de matière turbulente et insaisissable, qui prend tantôt les atours d'une goutte liquide, tantôt ceux d'un réseau rigide et géométrique, d'une bulle d'écume ou d'une sphère couronnée d'un halo... Le sujet est tout sauf anodin : les noyaux des atomes, avec leur concentré de protons et de neutrons, ont beau être minuscules - si l'atome et son cortège d'électrons avaient la taille d'une cathédrale, son noyau ne serait pas plus grand qu'une mouche -, ils concentrent 99,9 % de la masse de l'Univers. Et en trouvant les lois qui régissent ses métamorphoses, - en capturant, disséquant et modélisant la mouche qui se terrait au fond de la cathédrale, Elias Khan et Jean-Paul Ebran, physiciens à l'Institut de physique nucléaire d'Orsay et au CEA, en proposent une vision radicalement transformée, très éloignée des représentations naïves qu'experts et profanes avaient en tête. Au vrai, la première image moderne du cour de la matière.
Qui l'eût cru ? Qui eût cru que la physique nucléaire avait encore quelque chose d'important à révéler ? Cette branche de la physique semblait en effet avoir accompli avec succès sa mission d'exploration du noyau atomique. On savait traduire la diversité des atomes par leur nombre de nucléons (c'est-à-dire le nombre de protons et de neutrons). Et prédire presque toutes les propriétés des noyaux avec une précision diabolique : pourquoi certains sont stables, pourquoi d'autres, radioactifs, se désintègrent en quelques fractions de seconde, et comment ils se scindent lors de la fission nucléaire. Le sort du noyau atomique semblait donc réglé et son étude promettait de ne plus être que querelles de détail dont la majorité des physiciens se désintéresseraient...
D'autant qu'entre-temps, la physique nucléaire était descendue de son piédestal. La découverte, dans les années 1960, des quarks, les vraies particules élémentaires qui constituent chaque neutron et chaque proton, lui a fait perdre son titre de science fondamentale. "Depuis les années 1980, beaucoup de têtes pensantes se sont tournées vers la physique des particules, l'étude de la théorie des cordes, de la supersymétrie, la quête du Boson de Higgs... convient Jean-Paul Ebran. Mais on assiste à un revirement : il y a un renouveau théorique !" Il faut dire que tous les physiciens n'avaient pas quitté le navire. Restaient les expérimentateurs... Or, à force de torturer le noyau dans de puissants collisionneurs, son extraordinaire diversité leur a sauté au visage.

TROP DE CAS PARTICULIERS : L'état caractéristique du noyau d'hélium (avec ses 10 neutrons et ses 10 protons concentrés en 4 points ->) a enfin pu être décrit grâce à la théorie.

Ils ont vu des neutrons se mettre à tourbillonner loin de leurs congénères, d'autres se concentrer en coquille, prendre la forme d'un cigare, d'un ballon de rugby ou d'une poire... En poussant le noyau atomique hors de son état d'équilibre, l'obligeant à contenir toujours plus de nucléons, ils ont découvert une véritable cour des miracles, peuplée de noyaux marginaux... impossibles à décrire avec les théories classiques de la physique atomique ! De quoi renvoyer les théoriciens à leurs études, afin d'adjoindre à leurs corpus des monceaux de paramètres empiriques...
Peu à peu, la description du noyau s'est transformée en une accumulation de cas particuliers. Ainsi, impossible de prédire ne serait-ce que la stabilité de l'un de ces noyaux extrêmes sans donnée expérimentale. Au point que les théoriciens attendent la construction du collisionneur Spiral 2 , au Grand Accélérateur national d'ions lourds (Ganil), à Caen, pour savoir s'il existe des noyaux stables au-delà de 118 protons... "La découverte des noyaux atypiques nous a montré que nous n'avions pas bien compris la nature des interactions entre les nucléons", reconnaît Martin Freer, spécialiste du noyau atomique à l'université de Birmingham (Royaume-Uni). Le noyau de l'atome avait fait mine de se laisser appréhender, mais c'était un leurre... Et pour cause, comme l'annonce d'office Jean-Paul Ebran : "C'est même l'archétype du problème complexe ! Il est composé de trop de nucléons pour les méthodes de résolution exactes, et de trop peu pour les méthodes statistiques". Pour le décrire, en effet, il devrait suffire de décrire les interactions des protons et des neutrons qui le constituent... ce que justement, la physique ne sait pas faire. Comme les astronomes le savent depuis longtemps, il est impossible de prédire exactement la trajectoire de plus de trois corps en interaction. Les physiciens doivent donc se contenter d'appliquer une astuce éprouvée : "Nous transformons le problème à 'n' corps en 'n' problèmes à 1 corps, détaille Jean-Paul Ebran. Nous faisons l'approximation que les nucléons sont indépendants les uns des autres et qu'ils baignent dans une sorte de champ moyen qui représente l'action de tous leurs congénères".

DES ÉLECTRONS RELATIVISTES : Voilà le point clé : c'est cette approximation qui a permis jusqu'au milieu des années 1990 de décrire presque exactement les noyaux atomiques à l'équilibre ; mais c'est cette même approximation qui a empêché jusqu'à aujourd'hui les modèles de prédire leurs états extrêmes. C'est donc à cette approximation que Jean-Paul Ebran et Elias Khan ont décidé de s'attaquer en 2011... A l'aide d'une arme qui a maintes fois prouvé son efficacité : la relativité d'Einstein. "Depuis quelques années, on s'est aperçu que les protons et les neutrons au sein du noyau avaient des propriétés relativistes, raconte Elias Khan. Et on a commencé à penser qu'en tenant compte de ces effets, on parviendrait à améliorer notre modèle du noyau".
Les deux chercheurs ont poussé la logique à son paroxysme. En s'appuyant sur l'équation de Dirac, conçue pour décrire les électrons relativistes, ils ont expurgé l'ancien modèle d'une bonne part de ses paramétrages empiriques. Puis, en faisant tourner ce modèle sur ordinateur, ils ont vu se façonner des noyaux atomiques virtuels... Et un petit miracle s'est produit : "Nous testions notre modèle avec des noyaux constitués de différents nombres de protons et de neutrons pour voir si ses prédictions collaient avec les observations, et nous sommes tombés sur quelque chose d'étrange pour le noyau du néon, explique Jean-Paul Ebran. Au lieu d'être répartis uniformément comme le prévoyaient les autres modèles, ses nucléons semblaient concentrés en quatre points". Or, cet état étrange du noyau atomique fait justement partie des bizarreries nucléaires observées expérimentalement, mais qui n'ont jamais été expliquées par une théorie... Les deux physiciens croient d'abord à une erreur. Ils tâtonnent quelques semaines... avant de se convaincre : non, il ne s'agit pas d'un artefact. "Notre modèle, conçu pour décrire des noyaux atomiques classiques, était capable de générer un noyau atypique, résume Jean-Paul Ebran. Ce qui signifiait que nous avions potentiellement trouvé un corpus de lois universelles, une théorie capable de décrire la nature dans toute sa diversité !"
Dès lors, les deux physiciens s'emballent : ils balayent toute la carte des noyaux, appliquant leur modèle aux poids lourds de centaines de nucléons comme aux poids plumes de quelques neutrons et protons... Avant de s'enflammer : leurs équations sont capables de donner naissance à toutes les formes de noyaux atomiques, des plus simples aux plus étranges. L'exploit est historique. Pour la première fois, d'une unique théorie découlent naturellement les cinq grandes structures nucléaires... "Le plus fou, c'est que cela aurait pu être fait il y a 20 ans, explique Martin Freer. Les moyens de calculs sont disponibles depuis longtemps... Il fallait juste prendre le temps d'intégrer la relativité" ! Si ce nouveau modèle peut prédire la structure de n'importe quel noyau à partir d'un nombre de protons et de neutrons, reste à passer à l'étape suivante : prédire la stabilité ou la réactivité de n'importe quel noyau et, par là, résoudre l'un des grands mystères astrophysiques : comment les étoiles sont-elles parvenues à forger les premiers atomes lourds (voir l'encadré ci-dessous) ? "Nous commençons seulement les tests, mais nous voyons déjà que les prédictions de ce modèle sont bien meilleures que celles d'aucun autre auparavant", précise Jean-Paul Ebran. En clair, la physique nucléaire vit le deuxième moment clé de son histoire. Pour la première fois, elle dispose d'une théorie qui embrasse toute la diversité de la nature...

REVENIR AU FONDAMENTAL : "On est probablement à la limite de ce que l'on peut faire avec un modèle qui ne considère pas directement les quarks, s'avance Jean-Paul Ebran. Mais décrire le noyau atomique directement à partir de la théorie de la physique des particules, cela revient à essayer de comprendre tout le corps humain avec la biologie moléculaire : c'est infaisable". Pour aller plus loin, les physiciens ne pourront cependant pas se passer d'un retour au fondamental, en adaptant le corpus de la théorie des quarks au noyau de l'atome. Ils sont déjà à l'ouvre. Les supercalculateurs nécessaires pour supporter la fusion des quarks et des nucléons sont déjà opérationnels. Et la théorie qui promet de mettre un point final à la grande quête de la physique nucléaire a même déjà un nom : théorie effective de champ chirale. "C'est mon projet de recherche pour les dix prochaines années", sourit Jean-Paul Ebran. L'essence de la matière, l'infime petite mouche qui avait fait mine de se laisser capturer leur avait échappé ; les physiciens viennent de la rattraper. Et ils ne vont plus la lâcher.

Des physiciens ont créé des noyaus d'atomes comportant 124 protons !

Jusqu'à présent, l'atome synthétisé le plus lourd était l'ununoctium qui en possède 118. La prouesse a été réalisé au Grand accélérateur national d'ions lourds de Caen.