Prix Nobel de Physique

GEORGES CHARPAK

for his invention and development of particule detectors, in particular the multi_wire proportional chamber

Détecteurs de particules

Georges Charpak a « inventé » la détection électronique de particules. Une particule chargée arrache des électrons aux molécules d’un gaz en le traversant. Ces électrons collectés, par exemple, sur des fils métalliques deviennent des signaux électriques qui peuvent être traités électroniquement.

Cette avancée a permis le développement de méthodes d’acquisition et d’analyse de données rapides et automatiques grâce à l’électronique et à l’informatique. C’est la clef du développement des expériences modernes en physique nucléaire et des particules.

Les détecteurs électroniques dérivés des inventions de Georges Charpak sont largement utilisés au GANIL. Ils permettent de déterminer la trajectoire des particules produites dans les réactions nucléaires.

WILLIAM A. FOWLER

for his theoretical and experimental studies of the nuclear reactions of importance in the formation of the chemical elements in the universe

Réactions nucléaires formant les éléments chimiques dans l’Univers

Les éléments chimiques sont synthétisés dans les étoiles à partir des éléments légers créés lors du Big Bang. Cette nucléosynthèse met en jeu quantité de réactions nucléaires qu’il est nécessaire de mesurer ou de modéliser pour comprendre l’origine des éléments.

De nombreuses réactions et propriétés nucléaires, importantes pour comprendre la nucléosynthèse, ont été étudiées au GANIL. L’avènement des faisceaux de noyaux exotiques, en particulier riches en neutrons, permet de nouvelles études d’intérêt astrophysique. En effet, ces noyaux, qui n’existent pas ou plus à l’état naturel sur Terre, jouent un rôle important dans l’Univers en particulier lors de la nucléosynthèse.

AAGE BOHR,
BEN MOTTELSON
JAMES RAINWATER

for the discovery of the connection between collective motion and particle motion in atomic nuclei and the development of the theory of the structure of the atomic nucleus based on this connection

Structure des noyaux

Les travaux théoriques de ces trois prix Nobel ont abouti au paradigme de la physique nucléaire d’aujourd’hui.

Toutefois, les études récentes sur les noyaux exotiques menées en particulier au GANIL remettent en cause cette vision unifiée du noyau.

De nombreux phénomènes, noyaux à halos, noyaux moléculaires, îlots de déformation, disparitions des nombres magiques, … n’avaient en effet pas été prévus avant d’être observés.

HANS ALBRECHT BETHE

for his contributions to the theory of nuclear reactions, especially his discoveries concerning the energy production in stars

Réactions nucléaires et origine nucléaire de l’énergie des étoiles

Bethe a développé la théorie des réactions nucléaires. Il a ainsi été le premier à comprendre que les étoiles tiraient leur énergie de la fusion nucléaire.

Les réactions nucléaires sont l’un des thèmes de recherche au GANIL, de la capture de particules à la fusion. Des mesures importantes pour les cycles de réactions ayant lieu dans les étoiles y sont faites.

EUGENE P. WIGNER

for his contributions to the theory of the atomic nucleus and the elementary particles, particularly through the discovery and application of fundamental symmetry principles

MARIA GOEPPERT-MAYER
J. HANS D. JENSEN

for their discoveries concerning nuclear shell structure

Symétrie et structure en couches du noyau atomique

Certains nombres de protons ou de neutrons (2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126) correspondent à des noyaux dont la cohésion semble fortement renforcée.

Ce phénomène, connu sous le terme de « nombre magique », a été interprété par ces trois prix Nobel comme provenant d’un agencement très particulier dans les noyaux. Les protons et les neutrons y seraient rangés sur des couches.

Chaque couche ne peut accepter qu’un nombre maximum de particules, alors, lorsqu’une couche est pleine, les particules additionnelles doivent se placer sur une couche plus externe , c'est à dire moins liée au noyau. Les systèmes correspondants sont ainsi plus fragiles. En contrepartie, les noyaux à couche pleine sont plus robustes que leurs voisins. Cette structure en couches est très répandue dans la nature.

Les noyaux magiques sont depuis cette époque un important sujet d’étude. Des noyaux avec des nombres magiques de protons et de neutrons tels l’étain 100 ou le nickel 48 recherchés depuis 50 ans n’ont été finalement synthétisés au GANIL que récemment.

Plus surprenant, les études récentes sur les noyaux exotiques à la limite de la cohésion nucléaire semblent montrer que les nombres magiques n’ont pas la généralité supposée par Maria Goeppert-Mayer et ses collègues. Certains disparaissent alors que d’autres apparaissent. Percer ces mystères est l’un des objectifs des études sur les noyaux exotiques au GANIL avec aujourd'hui l’installation SPIRAL et bientôt SPIRAL 2.

CHEN NING YANG
TSUNG-DAO LEE

for their penetrating investigation of the so-called parity laws which has led to important discoveries regarding the elementary particles

Violation de la parité dans la radioactivité bêta

Ces deux physiciens ont observé que la radioactivité bêta (la transformation d’un neutron en proton, avec l’émission d’un électron et d’une particule plus mystérieuse appelée anti-neutrino) était asymétrique. Une décroissance et son symétrique dans un miroir n’ont pas la même probabilité d’avoir lieu.

Cette asymétrie est utilisée au GANIL pour connaître l’orientation des noyaux avant leur décroissance. Cela permet par exemple de mesurer l’aimantation des noyaux (leur moment magnétique) qui sont de microscopiques boussoles ; en étudiant leur oscillation dans un fort champ magnétique.

SIR JOHN DOUGLAS COCKCROFT
ERNEST THOMAS SINTON WALTON

for their pioneer work on the transmutation of atomic nuclei by artificially accelerated atomic particles

Transmutation induite par des particules accélérées

Les noyaux d’atomes accélérés par le GANIL sont quotidiennement utilisés pour transmuter les noyaux atomiques. Les collisions entre les noyaux-cibles et les noyaux-projectiles modifient en effet leurs nombres de protons ou produisent de nouveaux noyaux. Les atomes de la cible et du faisceau ont transformés en de nouveaux éléments.

Toutefois, les quantités produites par le GANIL sont infimes. Si l’installation avait été utilisée depuis son démarrage uniquement pour transmuter les atomes d’une cible de plomb en or, à peine quelques milligrammes en auraient été produits.

L’objectif est en fait de synthétiser une matière beaucoup  plus précieuse que l’or ! Des noyaux exotiques, matière qui n’existe pas ou plus à l’état naturel sur Terre.

HIDEKI YUKAWA

for his prediction of the existence of mesons on the basis of theoretical work on nuclear forces

Théorie des forces nucléaires

Les forces qui s’exercent entre les nucléons dans les noyaux sont encore aujourd’hui mal connues. C’est en observant la cohésion et la structure des noyaux que l’on étudie au GANIL les forces nucléaires.

LORD PATRICK MAYNARD STUART BLACKETT

for his development of the Wilson cloud chamber method, and his discoveries therewith in the fields of nuclear physics and cosmic radiation

Chambre à brouillard : Physique nucléaire et rayons cosmiques

Une particule chargée qui traverse rapidement une atmosphère saturée de vapeur provoque la condensation d’un léger brouillard. Telles les traînes blanches laissées par les avions en haute altitude. Ces lignes de brume révèlent le passage des particules.

Les chambres à brouillard sont aujourd’hui des objets de musée. Toutefois, la physique nucléaire et l’étude des rayonnements cosmiques initiées grâce à ces « révélateurs » du passage des particules se poursuivent aujourd’hui grâce aux nouvelles technologies développées en particulier par Georges Charpak.

 1944

1943

ISIDOR ISAAC RABI

for his resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei

 

OTTO STERN

for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton

Moment magnétique des noyaux atomiques

Moment magnétique des protons

La plupart des particules sont de microscopiques boussoles. Leur aimantation, appelé moment magnétique, est ainsi une de leurs caractéristiques fondamentales. Cette aimantation peut être mesurée en étudiant le comportement des particules dans un fort champ magnétique. Ces méthodes et mesures ont valu le prix Nobel 1943 et 1944 à leurs auteurs.

Ces méthodes de mesure sont encore utilisées aujourd’hui en particulier au GANIL pour mesurer l’aimantation encore inconnue de nombreux noyaux de synthèse (noyaux exotiques).

ERNEST ORLANDO LAWRENCE

for the invention and development of the cyclotron and for results obtained with it, especially with regard to artificial radioactive elements

Cyclotrons et synthèse d’éléments radioactifs

L’activité du GANIL se situe dans la droite ligne des travaux de E.O. Lawrence. GANIL utilise 5 cyclotrons pour créer et accélérer des noyaux radioactifs (noyaux exotiques).

ENRICO FERMI

for his demonstrations of the existence of new radioactive elements produced by neutron irradiation, and for his related discovery of nuclear reactions brought about by slow neutrons

Réactions nucléaires avec des neutrons et synthèse d’éléments radioactifs

Avec le projet SPIRAL 2 de transmutation de l’Uranium en noyaux exotiques induite par des neutrons, GANIL ouvrira un nouveau champ d’investigation sur les propriétés des noyaux très riches en neutrons.

SIR JAMES CHADWICK

for the discovery of the neutron

Découverte du neutron

Des programmes expérimentaux utilisant le GANIL cherchent à mettre en évidence des systèmes à plusieurs neutrons, tel le quadrineutron. C’est un des cas extrêmes de l’étude du rôle des neutrons dans la structure des noyaux atomiques (Physique des noyaux exotiques).

CHARLES THOMSON REES WILSON

for his method of making the paths of electrically charged particles visible by condensation of vapour

Chambre à brouillard

Une particule chargée traversant rapidement une atmosphère saturée de vapeur provoque la condensation d’un léger brouillard. Telles les traînes blanches laissées par les avions en haute altitude, ces lignes de brumes révèlent le passage des particules dans les chambres à brouillard.

Après des années de bons et loyaux services, les chambres à brouillard sont aujourd’hui des objets de musée. Elles ont été remplacées par des détecteurs électroniques développées en particulier par Georges Charpak.

ANTOINE HENRI BECQUEREL

in recognition of the extraordinary services he has rendered by his discovery of spontaneous radioactivity

PIERRE CURIE and
MARIE CURIE,

née SKLODOWSKA

in recognition of the extraordinary services they have rendered by their joint researches on the radiation phenomena discovered by Professor Henri Becquerel

Découverte de la radioactivité

En 2003, l’émission simultanée de 2 protons par un noyau (radioactivité 2p) a été observée pour la première fois au GANIL.