Innholdsfortegnelse for HS No. 129 i Science & Vie Junior

En fin de vie, l’étoile, si elle est assez grosse, diversifie sa production et fabrique des noyaux de plus en plus gros dans son cœur, où la température ne cesse de grimper. Après le carbone se forment de l’oxygène puis, entre autres, du néon, du silicium et enfin du fer (26 protons et 30 neutrons). Au fur et à mesure que le cœur produit de nouveaux éléments, les anciennes productions se poursuivent en périphérie. D’où cette structure en couches, façon oignon. Mais la transformation du silicium en fer est la dernière.…

L’oeuvre des rayons cosmiques Ces noyaux légers se forment directement dans l’espace, quand des noyaux errants et plus gros qu’eux sont cassés par des rayons cosmiques (zoom p. 15) de très haute énergie. Ce sont donc des débris. Explosion de naines en couple Les étoiles de la taille de notre soleil meurent en devenant des boules très denses et stables de carbone et d’oxygène, nommées « naines blanches ». Ce genre d’étoiles n’offre rien au cosmos… sauf si elles sont en couple avec une autre étoile (illustration à droite) . Elles attirent alors à elles la matière de leur binôme, jusqu’à devenir trop denses et s’effondrer, avant de se désintégrer par une explosion thermonucléaire produisant du fer et d’autres éléments.…

Sur cette carte, les éléments chimiques et leurs différents isotopes sont représentés par une barre plus ou moins haute, en fonction de leur stabilité (être stable signifiant être peu enclin à se diviser en noyaux plus petits par radioactivité). Leur existence et leur stabilité dépendent du bon compromis entre leur nombre de protons (en ordonnée) et 90 leur nombre de neutrons (en abscisse). On voit se 80 dessiner, au milieu d’une mer dans laquelle aucun noyau ne peut exister, une bande de terre suivant une sorte de diagonale. À partir de 92 protons, les noyaux y sont de moins en moins stables. La petite portion émergée sur la droite correspond à l’île de stabilité que les chercheurs espèrent découvrir s’ils arrivent à fabriquer des noyaux à plus de 184 neutrons.…

Une aube grise se lève sur l’Univers. Sans un feulement ni même un soupir, une faune étrange s’agite dans la grande jungle cosmique. Au diable machette, boussole et moustiquaire : il faut simplement s’armer de bon sens pour débusquer les particules élémentaires, leur tirer le portrait et découvrir leurs moeurs étranges. Pourquoi « élémentaires » ? Parce qu’elles sont a priori indivisibles, impossibles à morceler en plus petites. Au contraire, ce sont elles qui s’assemblent ou s’influencent pour former des particules bien plus grosses et complexes, tout en variant les plaisirs. Du coup, s’il existe un nombre invraisemblable de molécules diverses et une grosse centaine d’atomes différents qui composent la matière, notre faune de particules élémentaires ne compte que quelques dizaines de variétés. Précisément 61, si vous les énumérez. Et…

Alors que se termine la visite guidée, vous vous apprêtez à quitter la jungle touffue des particules. Pour pouvoir reconnaître ces créatures étranges quand vous vous aventurerez seul dans la jungle, le guide vous a laissé cette carte, en forme de labyrinthe. Grâce à elle, vous a-t-il assuré, vous saurez identifier n’importe quelle particule, qu’elle soit élémentaire ou composée d’autres particules, en cinq étapes maximum. Justement, une malheureuse erre, perdue et amnésique. En lui posant quelques questions de la carte, vous l’aiderez à retrouver son identité. Rendez-vous à la case départ et à vous de jouer !…

Comment l’antimatière se comporte-t-elle vis-à-vis de la gravité ? Un antiatome d’hydrogène soumis à l’attraction terrestre chute-t-il vers le sol ou s’enfuit-il au plafond ? Et s’il tombe, tombe-t-il exactement comme un atome d’hydrogène ? L’expérience GBAR, en cours d’élaboration, a été conçue pour répondre à ces questions. 1 Avant toute chose, il faut fabriquer l’antihydrogène, en commençant par un antiproton. Pour ça, on envoie des protons très rapides sur une plaque de cuivre. La plupart de ces protons se désintègrent sous la violence du choc, sans rien donner d’intéressant. Mais une fois sur un million, l’énergie libérée par la collision fait apparaître une paire proton/antiproton. 2 La principale difficulté est alors de réduire la vitesse de cet antiproton car il file à 4 millions de mètres par seconde. Or,…

3 La disparition de l’antimatière pourrait s’expliquer par un comportement différent chez les neutrinos lourds et les antineutrinos lourds, deux particules encore jamais détectées. Faute de mieux, les chercheurs traquent donc, avec l’expérience T2K au Japon, des différences de comportements chez les neutrinos et antineutrinos légers. Voici comment. 1 Dans la ville de Tokai, au Japon, grâce à un accélérateur de particules, on envoie des protons très rapides percuter une cible de métal. L’énergie de la collision fait naître, entre autres, des neutrinos et antineutrinos, tous de saveur « muonique » (le neutrino existe sous trois formes, ou saveurs, voir p. 32-33) . 2 Des filtres laissent passer des paquets soit de neutrinos, soit d’antineutrinos, qui filent vers la ville de Kamioka, à 295 km. Au cours…

Super-Kamiokande Des neutrinos plein les yeux N’essayez pas de les compter, ils sont plus de 11 000 ! Ces « yeux » dorés sont les détecteurs de lumière qui tapissent l’intérieur de Super-Kamiokande, un observatoire japonais de plus 39 m de diamètre et 41 m de hauteur. Ils traquent les neutrinos venus du Soleil ou ceux produits par des expériences destinées à mieux connaître ces particules. Observer les neutrinos est loin d’être simple, car ils n’interagissent avec la matière qu’une fois sur 100 000 milliards ! Pour augmenter les chances que cela arrive, il faut donc beaucoup de matière : l’enceinte (ici presque vide) contient d’ordinaire 50 000 tonnes d’eau, l’équivalent de 20 piscines olympiques. Assez pour que, parfois, un neutrino arrache un électron aux atomes…

Sombre affaire… Elle débute à la fin des années 1970, aux États-Unis. L’astrophysicienne Vera Rubin et son collègue Kent Ford n’en reviennent pas de ce qu’ils viennent de découvrir : sur les plaques photo retraçant leurs observations de la galaxie d’Andromède, les étoiles situées à sa périphérie tournent aussi vite que celles qui se trouvent plus près de son centre. Et ça, c’est louche ! Pire, c’est interdit par la loi… enfin, plus exactement, par les lois sur le mouvement du grand Isaac Newton. Ces étoiles sont trop rapides. Si rapides, même, qu’elles auraient déjà dû être libérées de l’attraction gravitationnelle de la galaxie et éjectées vers l’extérieur, comme les gouttes d’eau dans une essoreuse à salade. Si elles ne l’ont pas été, c’est forcément que quelque chose les retient…

Quand, en 1939, le génial écrivain Isaac Asimov commence à publier dans des revues américaines ses premières histoires sur les robots, les ordinateurs n’existent pas encore… Bref, on est loin d’envisager des intelligences artificielles (IA). Aussi, pour rendre crédibles ses écrits peuplés de machines qui pensent, il doit avoir recours à quelque chose de scientifique et de révolutionnaire. Ça tombe bien, on vient juste de découvrir la première particule d’antimatière : l’antiélectron, aussi appelé « positron ». Dans les nouvelles d’Asimov, cette particule confère aux « cerveaux positroniques » (où circulent des antiélectrons à la place des électrons) le « superpouvoir » de l’intelligence. Les premiers pas – théoriques – de l’IA, la vraie, arrivent en 1950, quand un des pères de l’informatique, Alan Turing, publie un article révolutionnaire :…

À l’échelle de l’équilibriste, la corde paraît n’avoir qu’une dimension… U n jour, les physiciens ont eu une drôle d’idée. Et si toutes les particules fondamentales étaient en fait une seule et même chose, une minuscule corde qui vibre ? Si elles existent, ces cordes sont très petites, plutôt du genre cordelettes : la Terre est moins perdue dans l’immensité de l’ Univers observable qu’une de ces cordes l’est à l’intérieur d’un proton. Le plus grand accélérateur de particules, le LHC et ses 8 km de diamètre (voir article p. 54), ne peut pas produire assez d’énergie pour observer une échelle aussi riquiqui. Il nous faudrait une machine de… 10 années-lumière (soit environ 95 000 milliards de km) de diamètre. Autant dire qu’on ne les verra jamais, ces cordes !…

Pour découvrir les particules, vous pourriez partir aux quatre coins de l’Univers… Car elles sont partout où il y a de la matière ! Toutefois, le plus simple est encore de rester sur Terre et de zoomer sur un caillou, votre main ou n’importe quoi d’autre. Ici, nous avons choisi une feuille de plante… Mais attention, si vous voulez croiser les particules élémentaires, celles qui constituent les fondements mêmes de la matière, il va falloir descendre très bas. Alors, prêt pour ce voyage qui vaut le détour ? Escale 1 : la cellule En grossissant un bout de notre feuille 150 fois au microscope, vous ferez la connaissance de l’unité fondamentale du monde vivant : la cellule. Ici, il s’agit donc d’une cellule végétale, de moins d’un dixième de millimètre…

Regardez autour de vous : table, canapé, stylo, plante, un peu de poussière ici… Rien de bien extraordinaire, n’est-ce pas ? Pourtant, à la fin de cet article, vous ne verrez plus toutes ces choses banales du même oeil. Quand vous saurez d’où viennent les atomes qui les constituent et dans quel genre d’usines cataclysmiques ils ont été fabriqués, vous les trouverez in-cro-ya-bles ! Car ces atomes n’ont pas été créés sur Terre. Ils étaient présents dans le nuage de matière à partir duquel s’est formé notre système solaire, il y a 4,6 milliards d’années. Par qui ont-ils été forgés, alors ? Le Big Bang ? Perdu ! Certes, la matière est née du Big Bang (voir p. 10) il y a quelque 13,7 milliards d’années, mais elle est sortie…

Quand la fusion s’arrête, le cœur de fer de la géante se ratatine d’un coup ; son centre devient si dur que la matière en chute rebondit dessus avec une violence inouïe, produisant une onde de choc qui traverse toutes les couches de l’étoile. Les fusions (schéma ci-dessous) reprennent dans ces couches tandis que l’étoile explose en supernova ! D’une géante de 700 millions de km de rayon ne restera qu’une étoile à neutrons de 10 km de rayon et un nuage d’atomes divers qui ensemence le cosmos. Les fusions rapides 1 reforment du fer. Les neutrons qui se bousculent un peu partout entrent en force dans ces noyaux de fer 2 , créant des formes instables : un des neutrons devient un proton, créant un…

PRENEZ PLACE, VOUS ALLEZ ÊTRE DANS TOUS VOS ÉTATS ! «Vivez comme une particule ! » clame le slogan affiché en grosses lettres dorées sur la façade de la Quantum Society. Et c’est précisément cette promesse qui a séduit le milliardaire Joss Bezef : avide de sensations fortes et d’expériences inédites, il veut participer à l’inauguration de Picoland, un fantastique parc d’attractions où l’on invite les visiteurs à vivre selon les lois étranges qui régentent l’infiniment petit. – Soyez le bienvenu, l’accueille le Pr Paul Di Rak, jeune et brillant scientifique aux dents blanches comme l’émail d’un lavabo. Je sais que le ticket d’entrée pour Picoland semble exorbitant, mais je vous assure que vous en aurez pour votre argent… – Laissez tomber le blabla, le coupe Joss Bezef. Votre brochure…

CELLES QUI 5,7milliards de milliards de milliards d’atomes… En particules élémentaires de matière, ça fait combien ? 108 milliards de milliards de milliards de quarks sont répartis dans les protons et les neutrons nichés dans les noyaux de vos atomes. Les électrons, eux, sont environ 10 fois moins nombreux. Pourtant, il y a grosso modo 10 000 fois plus d’électrons dans votre corps que de grains de sable dans le Sahara ! SONT EN VOUS* *calculs pour une personne de 60 kg … composent (à la louche) votre corps, et plus de 60 % d’entre eux sont des atomes d’hydrogène. Il n’y a rien d’étonnant à ce qu’ils soient si largement en tête : presque toutes les molécules du corps en contiennent. À commencer par les molécules d’eau,…

La masse ! Voilà un concept de physique qui nous est familier : vous n’avez qu’à monter sur une balance pour connaître la vôtre. Et pourtant… Intuitivement, on sent bien que la masse d’un corps mesure la quantité de matière qu’il contient. Mais quand on y regarde de plus près, les choses ne sont pas si simples. La preuve : c’est pour expliquer ce qu’est vraiment la masse qu’Albert Einstein a conçu sa formule E = mc2 . Cette équation est sans doute la plus célèbre de l’histoire de la physique. Cependant, malgré sa popularité, peu de personnes savent ce qui se cache réellement derrière cette formule. En première lecture, cette équation nous dit que la masse (m) d’un corps et son énergie (E) sont liées par la vitesse de…

Des bombes atomiques embarquées dans le vaisseau sont larguées derrière lui. Dans le même temps, quelques nanogrammes d’antimatière sont envoyés sur des granulés de matière pour que l’énergie dégagée par réaliste et vos chances de la stocker sans danger un peu moins aléatoires) pour améliorer des technologies existantes. L’ICAN II, un vaisseau imaginé par l’université d’État de Pennsylvanie (États-Unis) utiliserait quelques nanogrammes d’antiprotons pour booster l’explosion de bombes atomiques leur annihilation s’ajoute à celle des explosions afin d’augmenter la poussée. Un échafaudage d’amortisseurs s’assure que la poussée saccadée des bombes soit transmise en douceur à l’avant, là où se trouve l’équipage. larguées à l’arrière d’un véhicule (voir schéma ci-dessus). Celui-ci se propulserait, par à-coups, suffisamment vite pour que Mars ne soit plus qu’à quelques semaines de voyage ! Ce n’est…

La gravitation qui nous colle au plancher des vaches et maintient la Lune en orbite autour de la Terre est une force de la nature – comme la force électromagnétique entre deux particules chargées ou la force nucléaire forte entre deux quarks dans un noyau d’atome. Mais on n’arrive pas à la décrire de la même façon. Autrement dit, on ne parvient pas à trouver ce que les physiciens appellent une « théorie quantique de la gravitation ». Il y a trois problèmes. 1 Elle est trop faible La gravitation est, en gros, 10 000 milliards de milliards de milliards de milliards de fois plus faible que les autres forces ! La preuve, si vous approchez un aimant d’un clou, vous avez une poignée d’atomes de fer aimantés qui attirent…

La SuperSymétrie est une rotation inspirée de celle qui est à la base de la relativité restreinte d’Einstein (voir p. 88) et qui empêche la matière d’aller plus vite que la lumière. Mais elle a un autre effet qu’on peut symboliser ainsi : pour que le contenu de l’univers miniature (bulle de gauche) reste inchangé – ici, cinq particules F (pour fermion) et cinq particules B (pour boson) – il faut que chaque particule ait deux faces (une « F » et une « B »). Ainsi, une fois la rotation supersymétrique appliquée , les faces F deviennent des faces B et réciproquement : l’univers reste le même (bulle de droite) . La SuperSymétrie affirme donc…

Deux étoiles à neutrons qui se tournaient autour se sont percutées avec une énergie inimaginable ! Les gros noyaux de fer et de nickel constituant leur croûte sont alors bombardés par les neutrons qui s’échappent de leur cœur 1 . À une vitesse et une intensité encore plus prodigieuses que lors des supernovae, la taille des noyaux gonfle : le noyau de fer (26 protons) peut devenir en un éclair un atome d’or (79 protons) 2 . Tous les noyaux se dispersent ensuite dans l’Univers : les plus légers sont portés par un jet très puissant, et les plus lourds se retrouvent dans un gros nuage de matière appelé « kilonova ».…

Ce tableau liste tous les éléments chimiques connus : ceux qui existent naturellement sur Terre (et qui viennent pour la plupart des étoiles, voir p. 17 ), et ceux dits « synthétiques » (en vert) parce qu’ils ont été fabriqués par les scientifiques. Le plus lourd est l’oganesson, en case 118, le plus récent le tennessine, en case 117. Le numéro de case indique le nombre de protons contenus dans le noyau. Et donne l’identité de l’atome : tout noyau à 92 protons est de l’uranium, qu’il ait 125 neutrons (comme l’uranium 217) ou 146 (comme l’uranium 238). Ces variantes d’un même élément sont appelées « isotopes ».…

1 Des noyaux d’atomes lourds sont accélérés par de puissants champs électriques. 2 Ils percutent une cible comportant d’autres noyaux lourds. De temps à autre, lors de la collision, deux noyaux fusionnent pour former un noyau superlourd. 3 Les noyaux lourds ayant traversé la cible sont retirés afin de ne laisser que les superlourds. 4 Les noyaux superlourds sont instables. Ils se désintègrent dans la chambre du détecteur. L’énergie dégagée et les particules émises révèlent leur présence.…

MASSE ET ÉNERGIE Impossible de distinguer ces deux propriétés. Elles sont interchangeables : l’équation d’Einstein E=mc 2  dicte que l’énergie (E) d’une particule est équivalente à sa masse (m) multipliée par le carré de la vitesse de la lumière (c). Du coup, les physiciens expriment ce lien dans les unités qu’ils utilisent : si une particule abrite une énergie de 1 eV (électronvolt), par exemple, sa masse est tout simplement de 1 eV/c2 (souvent abrégée en 1 eV). Notez qu’il s’agit bien là de ce qu’on appelle l’« énergie de masse », celle que possède la particule au repos (voir l’article p. 78). La gamme des masses de nos bestioles est très large : celle du photon est nulle, celle de l’électron est infime. Mais certaines particules sont de vrais…

A pprochons-nous doucement des quarks pour observer de plus près ces stars du modèle standard. Il en existe six sortes, caractérisées par des « saveurs » différentes (up, down, charme, étrange, top, beauté). Inutile pour autant de les chasser pour leur goût : ce sont juste des petits noms pour les différencier, comme down (d) et up (u), les dominants de notre univers. Tous les quarks exhibent des charges électriques : dans chaque génération (voir tableau p. 27), il y en a un qui porte une charge de 2/3 (comme up) et l’autre une charge de -1/3 (comme down). Impossible de ne pas s’arrêter sur leur pelage coloré : tous les quarks (quelle que soit leur saveur) peuvent être rouge, vert ou bleu. Mieux, ils passent régulièrement d’une couleur à…

S i les quarks ont un grand sens de la famille, les leptons (du grec leptos, « léger ») sont au contraire de grands solitaires. Eux non plus ne manquent pas de « saveurs », puisqu’on distingue trois leptons dotés d’une charge électrique négative (l’électron, le muon et le tau), ainsi que trois neutrinos de charge neutre, associés chacun à un lepton chargé. Parmi les leptons chargés, seuls les électrons peuplent encore massivement la grande jungle universelle. On observe bien l’apparition de quelques muons quand des rayons cosmiques viennent frapper notre atmosphère, mais ils ne survivent généralement que 2 microsecondes avant de se désintégrer. Une éternité par rapport à la durée de vie du tau, dix millions de fois plus courte ! Le lepton le plus connu, et le mieux…

Contrairement aux autres interactions qui tendent à lier des particules, l’interaction faible a plutôt tendance à les transformer : elle change leur saveur par l’entremise de petits médiateurs, les bosons Z 0  , W+ et W- (ces deux derniers étant chacun l’antiparticule de l’autre). C’est donc cette force qui est responsable de certaines désintégrations naturelles, comme la transformation spontanée d’un neutron en proton au cœur des atomes. Tout ça parce qu’un quark a soudain changé de saveur (voir schéma p. 29). L’interaction faible est même capable de convertir n’importe quel lepton chargé (électron, muon…) en son neutrino compagnon (neutrino électronique, muonique…).…

Vu de l’extérieur, par une froide journée d’hiver, l’endroit passerait presque inaperçu. Des travaux devant l’entrée du site principal, des bâtiments blancs, des barrières avec agent de sécurité pour filtrer les voitures… Mais dès le hall d’accueil des visiteurs, le ton est donné. Impossible de louper, incrustée dans le sol, la sculpture en laiton et plexiglas d’où s’échappent des lumières colorées. Ni le tohu-bohu des langues étrangères qui s’entremêlent dans cet espace investi par les touristes. On se croirait presque dans un film de science-fiction… En tout cas, on bascule dans un autre monde. Un monde où l’on parle particules, où l’on vit particules, où l’on n’a que le mot collision à la bouche. Les plus beaux jouets pour un physicien Nous sommes dans la banlieue de Genève, au Cern,…

Au contact de nos cellules, certaines particules ont assez d’énergie pour arracher des électrons aux atomes. Ainsi libéré, un simple électron déclenche une cascade de transformations chimiques qui détraquent la cellule. Si elle ne parvient pas à se réparer, elle meurt. D’où l’idée d’utiliser ces particules contre les cellules cancéreuses. Principale difficulté : faire en sorte qu’elles épargnent les cellules saines en libérant leur énergie uniquement au niveau de celles à éliminer. Pour cela, ces particules sont parfois placées directement dans le corps. Ainsi, en curiethérapie, les médecins introduisent près de la tumeur (ou carrément dedans) un élément radioactif. En se désintégrant, il émet des photons pleins d’énergie au contact des cellules cancéreuses. Si la tumeur est inaccessible, les médecins irradient la zone à traiter depuis l’extérieur. Avec quoi ?…

Rayons cosmiques ou gamma Ils donnent des superpouvoirs Bruce Banner fut un jour bombardé de rayons gamma. Désormais, quand il se met en rogne, il devient Hulk, un être très fort, tout vert et malin comme une palourde. Quant à Red Richards, Jane Storm, son frère Johnny et leur pote Ben Grimm, des rayons cosmiques ont fait d’eux les Quatre Fantastiques, soit un élastique humain (Mr Fantastic), une femme invisible, un jeune gars qui pète le feu (la Torche) et un gros caillou grincheux (la Chose). Ça se peut ? Oh que non ! Les rayons gamma sont des photons – des grains de lumière – qui vous fichent des coups de soleil encore pires que les plus durs des ultraviolets (UV). En fait, comme les rayons X (qui sont…

Einstein a démontré que l’espace et le temps n’étaient pas séparés mais imbriqués l’un dans l’autre. Sa théorie de la relativité restreinte stipule que l’on peut changer de point de vue en appliquant une rotation à l’espace-temps (bulles en pointillés) et que cela ne modifie pas les lois de la physique. Mais il y a des règles. Deux vaisseaux s’éloignent l’un de l’autre (en avançant « horizontalement » dans l’espace et « verticalement » dans le temps). Ils poursuivent le rayon lumineux (en jaune) qu’ils ont tiré devant eux au départ. Les déplacements à la vitesse de la lumière correspondent aux trajectoires à 45° (soit 300 000 km parcourus horizontalement en 1 seconde écoulée verticalement). Du vaisseau rose s’échappe aussi une capsule…