Transformer le
plomb en or : voilà un rêve d’alchimiste devenu réalité… ou
presque. Grâce à l’expérience ALICE du Grand collisionneur de
hadrons (LHC), des scientifiques ont observé un phénomène rare et
fascinant : la transmutation de noyaux de plomb en atomes d’or. Il
ne s’agit pas d’un tour de magie, mais bien d’un processus physique
parfaitement réel, observé dans les entrailles du plus grand
accélérateur de particules au monde.
Une plongée dans les
premiers instants de l’Univers
L’expérience ALICE (A
Large Ion Collider Experiment), l’un des détecteurs majeurs du LHC,
a été conçue pour explorer un état de la matière appelé plasma
quark-gluon, celui qui existait juste après le Big Bang. Pour ce
faire, elle fait entrer en collision des ions lourds – notamment du
plomb – à des vitesses proches de celle de la lumière, afin de
reproduire les conditions extrêmes de l’Univers primordial.
Mais en plus
d’explorer cette matière exotique, les collisions peuvent provoquer
d’autres effets inattendus, comme des réactions nucléaires rares.
Et parmi elles : la transformation d’un élément en un autre.
Une transmutation
nucléaire, pas de l’alchimie
Le plomb contient 82
protons dans son noyau. L’or en possède 79. Il suffit donc — en
théorie — de retirer trois protons d’un noyau de plomb pour obtenir
un atome d’or. Ce processus s’appelle une transmutation nucléaire,
et c’est précisément ce que les chercheurs de l’expérience ALICE
ont pu observer.
Comment ? En étudiant
non pas les collisions directes entre noyaux de plomb, mais les
interactions électromagnétiques induites par les champs puissants
générés dans le LHC. Lorsque deux noyaux passent très près l’un de
l’autre sans se percuter, leurs champs électromagnétiques peuvent
émettre des photons si intenses qu’ils interagissent avec les
noyaux eux-mêmes. Ces « flashs de lumière » extrêmes
peuvent alors éjecter un, deux, voire trois protons, transformant
le plomb en d’autres éléments plus légers : thallium, mercure, et
parfois… or.
Un processus rare
mais mesurable
Grâce aux
calorimètres à zéro degré (ZDC) du détecteur ALICE, les chercheurs
ont pu observer ces interactions avec une précision inédite. Ils
ont ainsi pu mesurer différentes signatures de dissociation du
plomb : certaines interactions ne produisent aucune perte de
protons, d’autres en éjectent un ou deux, parfois trois — donnant
alors naissance à de l’or.
Ce phénomène reste
rare : sur les 174 milliards d’atomes de plomb circulant dans le
faisceau, environ 89 000 noyaux d’or sont produits chaque seconde.
Une goutte d’eau dans un océan atomique, certes, mais une
observation qui a une immense valeur scientifique.
« C’est
impressionnant de voir que nos détecteurs peuvent enregistrer à la
fois les collisions les plus énergétiques, avec des milliers de
particules créées, et les événements les plus discrets, où quelques
protons suffisent à transformer la nature du noyau », souligne
Marco Van Leeuwen, porte-parole d’ALICE.
Le glorieux détecteur ALICE, faisant ce que Newton, Flamel et
Paracelse n’ont pas pu faire ! Crédits : CERN
Pas de ruée vers
l’or au CERN
Inutile d’espérer
extraire ces atomes d’or : non seulement leur quantité est
infinitésimale, mais ils finissent projetés à grande vitesse contre
les parois de l’accélérateur, où ils se fragmentent aussitôt. La
valeur de cette découverte n’est donc pas économique, mais bien
fondamentale.
Elle permet notamment
d’améliorer les modèles théoriques de dissociation
électromagnétique, essentiels pour prédire les pertes de faisceau —
un paramètre crucial pour optimiser les performances du LHC et des
futurs collisionneurs.
Comme le résume
Uliana Dmitrieva, membre de la collaboration ALICE : « Cette
analyse marque la première détection expérimentale systématique de
la production d’or au LHC. C’est une avancée majeure. »
Les détails de l’étude sont
publiés dans la revue Physical Review C.
