Dans l'image ci-dessous, vous pouvez voir le champignon de l'explosion d'Ivy Mike en 1952, la première bombe à fusion jamais explosée. Dans le processus de fusion et de fission des noyaux, une énergie colossale est libérée, grâce à laquelle nous avons aujourd'hui une peur tremblante des armes nucléaires. Récemment, on a appris que les physiciens avaient découvert une réaction subatomique encore plus énergétiquement puissante que la fusion thermonucléaire, qui a lieu à l'échelle des quarks. Heureusement, elle ne semble pas particulièrement adaptée à la fabrication d'armes.
Lorsqu'un couple de physiciens a annoncé la découverte d'un puissant processus subatomique, il est devenu connu que les scientifiques voulaient classer la découverte, car elle pouvait être trop dangereuse pour le public.
Y a-t-il eu une explosion? Les scientifiques ont montré que deux minuscules particules appelées quarks down pourraient théoriquement se fusionner en une puissante rafale. Le résultat: une grosse particule subatomique connue sous le nom de nucléon et un tas d'énergie éclaboussant dans l'univers. Cette «explosion de quarks» pourrait devenir un analogue subatomique encore plus puissant des réactions thermonucléaires qui se produisent dans les noyaux des bombes à hydrogène.
Les quarks sont de minuscules particules qui s'accrochent les unes aux autres pour former des neutrons et des protons à l'intérieur des atomes. Ils viennent en six versions, ou "saveurs": haut, bas, charmé, étrange, le plus haut (vrai) et le plus bas (adorable).
Les événements énergétiques au niveau subatomique sont mesurés en mégaélectronvolts (MeV), et lorsque les deux quarks les plus bas fusionnent, les physiciens ont découvert qu'ils émettaient un énorme 138 MeV. C'est environ huit fois plus fort que la fusion nucléaire unique qui se produit dans les bombes à hydrogène (une explosion de bombe à grande échelle est composée de milliards d'événements similaires). Les bombes à hydrogène fusionnent de minuscules noyaux d'hydrogène - deutérium et tritium - pour former des noyaux d'hélium et une puissante explosion. Mais chacune des réactions individuelles à l'intérieur d'une telle bombe ne libère que 18 MeV, selon les archives d'armes nucléaires. C'est beaucoup moins que dans la fusion des quarks les plus bas - 138 MeV.
«Je dois admettre que lorsque j'ai réalisé pour la première fois qu'une telle réaction était possible, j'ai eu peur», explique l'un des scientifiques, Marek Karliner de l'Université de Tel Aviv en Israël. "Heureusement, ce n'était pas si mal que ça."
Avec toute la puissance des réactions de fusion, une seule réaction n'est pas si dangereuse. Les bombes à hydrogène tirent leur puissance terrifiante de réactions en chaîne - la fusion en cascade de nombreux noyaux à la fois.
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Carliner et Jonathan Rosner de l'Université de Chicago ont déterminé qu'une telle réaction en chaîne ne serait pas possible avec des quarks mignons, et avant la publication, ils ont partagé leurs préoccupations avec des collègues qui étaient d'accord avec leur conclusion.
«Si je pensais pendant une microseconde à l'utilisation militaire d'un tel processus, je n'écrirais pas à ce sujet», dit Carliner.
Pour déclencher une réaction en chaîne, les fabricants de bombes nucléaires ont besoin d'une quantité impressionnante de particules. Une propriété importante des jolis quarks est qu'ils ne peuvent pas être collectés en stock: ils cessent d'exister après une picoseconde après leur création, et pendant ce temps, la lumière ne peut parcourir que la moitié de la longueur d'un granule de sel. Après ce temps, le joli quark se désintègre en un type de particule subatomique plus commun et moins énergétique - le quark up.
Il est possible de créer des réactions séparées de fusion de jolis quarks dans un tube d'un kilomètre de long d'un accélérateur de particules, disent les scientifiques. Mais même à l'intérieur de l'accélérateur, il est impossible d'accumuler une masse de quarks suffisamment importante pour causer des dommages au monde. Par conséquent, il n'y a rien à craindre.
La découverte elle-même est incroyable car c'était la première preuve théorique que les particules subatomiques peuvent être synthétisées avec la libération d'énergie, dit Carliner. C'est un tout nouveau territoire dans la physique des plus petites particules, qui a été ouvert grâce à une expérience au Grand collisionneur de hadrons du CERN.
C'est ainsi que les physiciens sont arrivés à cette découverte.
Au CERN, les particules parcourent un anneau de 27 kilomètres sous terre à la vitesse de la lumière, puis entrent en collision. Les scientifiques utilisent ensuite des ordinateurs puissants pour passer au crible les données de ces collisions, et des particules étranges apparaissent parfois dans ces données. En juin, par exemple, les données ont montré un baryon «doublement charmé», ou un cousin volumineux du neutron et du proton, composé de deux cousins des quarks «joli» et «up» - les quarks «charmés».
Les quarks charmés sont très lourds par rapport aux quarks ascendants et descendants les plus courants qui composent les protons et les neutrons. Et lorsque des particules lourdes se lient les unes aux autres, elles convertissent une grande partie de leur masse en énergie de liaison et, dans certains cas, laissent de l'énergie qui s'échappe dans l'univers.
Carliner et Rosner ont découvert que lorsque deux quarks charmés fusionnent, les particules se lient avec des énergies de l'ordre de 130 MeV et éjectent 12 MeV de l'énergie restante. Cette fusion de quarks charmés a été la première réaction de particules de cette ampleur à libérer de l'énergie. Elle est devenue la thèse principale d'une nouvelle étude publiée le 1er novembre dans la revue Nature.
La fusion encore plus énergique de deux jolis quarks, qui se lient à 280 MeV et éjectent 138 MeV lors de leur fusion, est la deuxième et la plus puissante des deux réactions trouvées. Alors qu'ils restent théoriques et non prouvés dans des conditions expérimentales. La prochaine étape suivra sous peu. Carliner espère que les premières expériences démontrant cette réaction seront menées au CERN au cours des prochaines années.
Ilya Khel
