NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) Les principes physiques
Physique hadronique
L'étude des noyaux les plus simples – et parmi eux le proton – se confond de fait avec l'étude des systèmes de quarks et de gluons confinés par l'interaction forte. Ces systèmes liés sont appelés hadrons et se partagent entre mésons (de spin multiple pair de h/4π) et baryons (de spin multiple impair de h/4π), d'où le nom de physique hadronique pour ce domaine extrêmement actif de la recherche. L'outil privilégié d'investigation expérimentale est ici la sonde électromagnétique, c'est-à-dire la diffusion d'électrons ou de muons sur les noyaux légers. De telles réactions avaient révélé dès 1968 la nature composite des protons. Les programmes actuels affinent cette description et tentent d'élucider les mécanismes du « confinement de la couleur » proposé par la chromodynamique quantique, théorie des interactions fortes qui attache aux quarks et aux gluons une charge dite de couleur. Ces expériences privilégient les réactions où de grands transferts d'énergie donnent accès à la structure à courte distance des hadrons. Si les données recueillies jusqu'ici permettent d'avoir une description assez précise de la façon dont l'énergie d'un proton se construit à partir de celle de ses constituants, on est encore incapable de déterminer la fonction d'onde des quarks et des gluons dans un hadron. Les physiciens proposent que des programmes expérimentaux ambitieux de faisceaux d'électrons intenses, continus et d'énergie suffisante (quelques dizaines de milliards d'électronvolts), complètent les résultats acquis.
Applications
En se limitant au domaine civil, la physique nucléaire a donné lieu à des applications extrêmement variées.
Applications énergétiques
Les applications énergétiques de la physique nucléaire sont bien connues et une part importante de l'électricité est maintenant produite à partir des réactions de fission des noyaux lourds (principalement l'uranium). Les travaux actuels dans ce domaine se concentrent sur la recherche de cycles moins polluants, tel le cycle du thorium, et s'attachent à trouver des solutions au grave problème des déchets radioactifs à vie longue en explorant en particulier les possibilités d'incinération des noyaux transuraniens dans un système hybride couplant un accélérateur de protons à un réacteur sous-critique.
La maîtrise des processus de fusion est un des programmes prioritaires de la recherche nucléaire appliquée. Deux voies sont explorées : la voie électromagnétique cherche à confiner un plasma de deutérium (et de tritium) dans un système de champs magnétiques intenses ; la voie inertielle essaie de tirer profit de la capacité d'effondrement d'une microsphérule de deutérium et de tritium soumise à des éclairs de lasers intenses. Malgré de réels progrès dans la compréhension de cette physique, les difficultés sont considérables et la réalisation de centrales n'est pas envisageable dans un avenir proche.
Applications médicales
Les radioéléments fabriqués par les laboratoires de physique et de chimie nucléaires trouvent de nombreuses applications dans les domaines du diagnostic et de la thérapeutique. La caméra à scintillations est un outil remarquable de diagnostic, puisqu'elle permet de suivre l'évolution de la radioactivité induite dans un organe ayant capturé un radioélément. La tomographie par émission de positons (due à la désintégration β+ de noyaux captés par les organes) a elle aussi un potentiel d'applications cliniques considérable.
Les effets de destruction cellulaire par les noyaux instables (tels que l'iode 131) ont été utilisés dès 1936 pour traiter les leucémies puis les hyperthyroïdies. La protonthérapie s'est récemment considérablement développée tandis que l'utilisation de faisceaux[...]
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Médias
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Keystone/ Hulton Archive/ Getty Images
Niels Bohr et Ivan P. Pavlov
Yakov Khalip/ Slava Katamidze Collection/ Hulton Archive/ Getty Images
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