Les muons: de l'exotisme dans la chimie des particules

Publié par Adrien le 23/07/2004 à 11:25
Dans la matière, les liaisons entre les atomes sont assurées par les électrons. En remplaçant ces derniers par des particules élémentaires plus lourdes, comme le muon, on crée des atomes dits "exotiques" si proches les uns des autres que leurs noyaux peuvent fusionner. Ces réactions de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la...) sont cependant perturbées par des réactions de transfert des muons de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) vers des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) plus lourds. Le laboratoire Collisions Agrégats Réactivité (CAR) du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Paul Sabatier à Toulouse publie dans la revue Physical Review Letters (PRL) du 20 juillet 2004 un modèle théorique de réactions chimiques "exotiques" impliquant des muons. Ce modèle permet de mieux comprendre les réactions de transfert qui parasitent les réactions de fusion. C'est une avancée importante dans la compréhension et l'amélioration de la fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions...) catalysée par muons, étudiée depuis longtemps comme une source possible d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).

Les muons sont des particules élémentaires. Ils sont relativement abondants dans le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) cosmique qui pénètre l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) jusqu'à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus...). Ainsi, chacun d'entre nous est traversé par environ 100 muons par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La...). Dans la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...), ce sont les électrons qui créent des liaisons chimiques entre atomes et assurent la cohésion de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme l'énonçait...). En substituant artificiellement des muons négatifs aux électrons, on élabore des systèmes beaucoup plus compacts dotés de propriétés nouvelles. Le muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus grande que celle...) étant environ deux cent fois plus lourd que l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.), il crée des liaisons entre atomes deux cent fois plus courtes (un milliardième de millimètre au lieu d'un dix millionième de millimètre pour une liaison atomique standard). Ainsi des atomes liés par une liaison muonique sont si proches les uns des autres que leur noyaux peuvent fusionner.

Pour créer artificiellement des faisceaux de muons, des particules chargées sont manipulées et accélérées sur des cibles dans des accélérateurs de particules. Ces collisions engendrent diverses particules secondaires, dont les muons. Cette particule vit de l'ordre de 2x10^-6 seconde (deux millionièmes de seconde) avant de se désintégrer en un électron ou un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que...) et des neutrinos. Cette durée de vie (La vie est le nom donné :) est largement suffisante pour manipuler les muons et les utiliser pour la fabrication d'atomes et de molécules "exotiques". Au cours de ce type d'expérience, on observe des réactions de fusions atomiques mais aussi d'autres réactions comme des réactions de transferts de muons de l'hydrogène vers des atomes plus lourds comme l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant...), l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) ou le néon (Le néon est un élément chimique, de symbole Ne et de numéro atomique 10.).

C'est à ces réactions "parasites" et à leur modélisation que s'est intéressé Arnaud Dupays, du laboratoire CAR (CNRS-Université Paul Sabatier, Toulouse). Grâce à un nouveau système de paramétrisation des particules, le nouveau modèle permet de comprendre pour la première fois des résultats accumulés au cours des dix dernières années sur la cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) de réactions "exotiques" obtenues dans des accélérateurs de particules et restées jusqu'alors sans explication satisfaisante. C'est une avancée importante vers l'amélioration de la fusion nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) catalysée par muons pour la production d'énergie, mais aussi pour une meilleure compréhension des propriétés fondamentales de la matière.

Source: communiqué de presse (Un communiqué de presse est un document court envoyé aux journalistes dans le but de couvrir un événement.) du CNRS
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