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On entend parfois parler de la « matière exotique » ou d’« atomes exotiques ». Je ne parlerais ici que de la seconde (le reste sera pour une autre fois).

Si les atomes normaux sont connus de tous, avec leurs protons, leurs neutrons et leurs électrons, les atomes exotiques sont des formations atomiques un peu particulières.
Je vais d’abord avoir besoin de faire un bref point sur les atomes ordinaires et le modèle standard de la physique quantique.

Les atomes

Je pense que tout le monde est plus ou moins familier avec ce tableau :

le tableau périodique
↑ Le tableau périodique des éléments — (source)

Toute la chimie, tous les objets, toute la biologie et la vie, vous et moi sont composé d’éléments présents uniquement dans ce tableau.

Si tous ces éléments présentent déjà beaucoup de curiosités, comme l’or et sa couleur, le plutonium ou le fer, présent dans le sang, ça n’est pas assez pour le scientifique fou dans son labo et on peut créer plein d’autres choses.

Les atomes exotique donc, c’est quelque chose de bien différent de ce que nous connaissons et, je vous le dis tout de suite, on ne risque d’en trouver ni dans la nature ni dans les magasins (en tout cas pas dans un futur proche et probablement pas dans notre univers).

Le modèle standard

En physique quantique, on parle du modèle standard pour définir et classer les différentes particules élémentaires de la matière qui existent :

les particules du modèle standard
↑ Les particules du modèle standard — (source)

On retrouve, tout en bas à gauche, l’électron.
Le proton et le neutron sont formés des quarks up et down (3 chacun : 2 up + 1 down et 1 up + 2 down respectivement). Enfin lors de la désintégration radioactive de certains atomes il est parfois émis un neutrino électronique. Ces quatre particules sont toutes dans la première colonne du tableau.

Maintenant, si on considère la dernière ligne, on voit que les caractéristiques spin et charge de l’électron, du muon et du tau sont identiques. Seule la masse (ou l’énergie) varie. Chaque ligne regroupe en fait des particules ne différant que par leur masse et chaque colonne regroupe les éléments par « génération » selon la masse ou l’énergie : la première colonne regroupe les basse énergie, la seconde d’énergie moyenne et la dernière de haute énergie.

Fait d’électrons, de protons et de neutrons, nos particules et notre monde correspondent à la basse énergie du modèle standard. Toute la physique que l’on observe, incluant ce qui se passe dans le tableau périodique, la chimie ou les centrales nucléaires et le cœur des étoiles concerne cette physique de basse énergie. La basse énergie est celle qui est la plus stable et c’est sûrement pour ça que notre univers est composé presque uniquement de ces particules là.

D’autres univers pourraient être fait des niveaux d’énergie supérieurs au notre, mais on n’a pas encore de quoi les observer. On observe en revanche des particules isolées de moyenne et haute énergie ! Par exemple, quand les rayons cosmiques très énergétiques frappent l’atmosphère, une partie de l’énergie est transformée en particules très massives : des muons.

Le muon est l’équivalent plus énergétique de l’électron, et, malgré sa durée de vie de seulement 2,2 µs, on est capable de faire des atomes avec !
C’est ce genre d’atomes, constitué d’un assemblage de particules que l’on n’a pas l’habitude de voir, qu’on nomme « atomes exotiques ».

Les atomes exotiques

L’hydrogène muonique


Je viens de le dire : il est possible de remplacer un électron par un muon, vu qu’il a la même charge.
Si l’on prend un proton que l’on associe à un muon, on obtient un atome d’hydrogène muonique.

Étant donnée que le muon est bien plus lourd que l’électron, le muon qui tourne autour du noyau est sur une orbitale bien plus proche de ce dernier et l’atome est beaucoup plus petit.

Cette particularité a plusieurs applications potentielles, comme la fusion nucléaire froide catalysée par muons. Normalement, pour faire fusionner des atomes, on doit les chauffer à des températures proches de ce que l’on trouve dans le cœur du Soleil (15 millions de degrés) si ce n’est beaucoup plus si on veut s’affranchir de la fusion probabiliste par effet tunnel, auquel cas il faut chauffer à près de 100 millions de degrés.
Ces températures sont nécessaires pour permettre à deux atomes et leurs noyaux de se rapprocher suffisamment pour fusionner. L’atome d’hydrogène muonique étant plus petit, il est plus simple de le fusionner et les températures requises sont moins hautes. L’un des plus gros problèmes pour un réacteur nucléaire à fusion froide catalysée par muons, c’est la durée de vue trop courte des muons (2,2 µs).

Le muonion


Les anti-particules sont opposées à nos particules selon divers caractéristiques quantiques dont la charge. Chaque particule se voit associer une anti-particule : l’électron avec son anti-électron (ou positron) ou le neutrino électronique avec l’anti-neutrino électronique sont les plus courantes car rencontrées dans la désintégration radioactive depuis longtemps.

Les muons ont aussi leur anti-particules : l’anti-muon. Sa charge est alors positive et est donc la même que le proton ou le positron.

Devinez quoi ? On peut remplacer un proton par un anti-muon ! Si on fait ça dans un atome d’hydrogène, on obtient un électron orbitant autour d’un anti-muon : le muonium.
Cet atome exotique, découvert déjà en 1960, possède même son propre symbole chimique : Mu (informel).

Cet atome exotique conserve (grâce à l’électron) les propriétés chimiques de l’hydrogène, et on a réussi à faire de l’eau muonique appelé hydroxyde muonique (HOMu), du chlorure de muonium (MuCl) ou du méthane contenant du muonium : le muoniométhane.

Encore une fois, tous ces atomes ont une durée de vie très courte à cause de l’anti-muon qui est très instable (et qui finit par se désintégrer spontanément après 2,2 µs en moyenne).

Les oniums : positronium et protonium


Un onium est une structure atomique où une particule chargée orbite autour de son anti-particule, de charge opposée (mais de masse identique).

Si l’électron orbite un positron, on obtient un atome de positronium. On a bien deux ici particules de charges opposées, mais contrairement à l’atome classique où le noyau est environ 1 000 fois plus lourd que l’électron on a ici une particule et son anti-particule de masse identique. Les deux sont donc pris dans une sorte de danse autour d’un barycentre commun :

le positronium
↑ Schéma du positronium — (source)

Comme le muonium, le positronium a été synthétisé (depuis 2007), elle possède un symbole « Ps » et on a prédit des molécules positroniques, où cet atome exotique remplace un atome d’hydrogène : le PsH, le PsCl, le PsLi ou encore le Ps2 ont été observées.
Ces molécules et le positronium lui-même sont très instables (durée de vie de 100 ns) et se terminent par une annihilation matière-antimatière.

À la place de l’électron, on peut prendre le proton et l’antiproton : l’atome exotique ainsi obtenu est le protonium, dont le symbole est pp (reprenant le symbole « p » du proton et le « p-barre » de l’anti-proton).
Cet atome exotique a la particularité d’être le théâtre d’une bataille entre l’interaction forte et l’interaction électromagnétique. Là aussi cet ensemble est très instable et se termine en annihilation matière-antimatière.

Le pionium


J’ai dit plus haut que le proton et le neutron sont chacun formés de 3 quarks. Ce sont dès lors des baryons.
Des assemblages de seulement 2 quarks sont appelés des mésons et on peut former des atomes exotiques avec des mésons !

L’une des catégories de mésons sont les mésons-π (Pi), qui existe en trois exemplaires : π⁺, π⁻, π⁰.
Quand on fait un atome exotique avec le méson-π⁺ et le méson-π⁻ orbitant l’un autour de l’autre, on obtient un pionium.

Considérant qu’il existe 2 formes de quarks de basse énergie (up et down) et que chacun possède sont antiparticules (anti-up et anti-down) et qu’on a la même chose pour les quarks d’énergie moyenne et élevée, on obtient toute une collection de mésons différent : pions (π⁺, π⁻, π⁰) kaons (K+, K−, K⁰ Ks⁰, Kl⁰), Êta (plusieurs variantes là aussi)… et autant d’anti-mésons. Tous sont susceptibles de former des atomes exotiques, même si très peu ont encore été synthétisées ou observées.

En plus du pionium, on peut parler de l’hydrogène kaonique : c’est un proton autour duquel il orbite un kaon K⁻. Si on avait deux kaons à charge opposée, on parlerait de kaonium, mais ils n’ont pas encore été observés.

Atomes hypernucléaires


Quand on regarde le tableau du modèle standard, on peut dire que le quark strange « s » est au quark down ce que le muon est à l’électron. Or, le quark down est un composant des nucléons que sont le neutron et le proton.
Vous le devinez : on peut faire un nucléon contenant un quark strange : ce sont alors des hypérons, comme le Σ (sigma), le Ξ (xi) ou le Ω (oméga).

Si cet hypéron est placé dans un atome à la place d’un nucléon, alors on obtient un atome hypernucléaire.

En raison de la forte masse (pour une particule, hein) des quark strange, ces derniers sont très compliqués à produire et aussi très instables (durée de vie de l’ordre de la nanoseconde) et finissent pas se désintégrer en énergie, mésons et baryons (protons et neutrons).


Je termine ma liste sur l’atome hypernucléaire, mais j’espère que ça vous a montré un peu l’ampleur des possibilités offertes par la physique des particules. Alors que le tableau périodique permet de voir tout le « bestiaire » de la chimie, le noyau de l’atome est à lui seul un autre monde rempli de quarks, qu’il est possible d’assembler en mésons, hypérons et d’autres particules et atomes exotiques. C’est un peu ce qu’ils font au Cern dans le LHC et dans les autres accélérateurs de particules dans le monde.

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letudiantmaieuticien a dit :

Sur le même thème le magazine "Pour la Science" a sorti quelques très bon article dans l'édition de septembre 2015 :
http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-les-gluons-la-colle-des-particules-elementaires-35757.php
http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actu-le-pentaquark-decouvert-au-lhc-35673.php

L'article sur le gluon (en intégral en tout cas) étant vraiment très sympa et permet de comprendre un peu mieux les choses !

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Chucko a dit :

Très bel article ! Merci :)

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nico a dit :

Quelques petites remarques/corrections:

1)

La basse énergie est celle qui est la plus stable et c’est sûrement pour ça que notre univers est composé presque uniquement de ces particules là.

Les particules stables sont simplement les particules qui ne se désintègrent pas au repos. Pour ne pas se désintégrer au repos, il faut qu'il n'existe pas une interaction autorisée par le Modèle Standard qui produit des particules de masses plus faibles (telles que la somme des énergies n'est pas supérieur à l'énergie que peut fournir la particule initiale). Du coup, forcément, on trouve les particules stables dans la droite du tableau. Mais c'est "par hasard" qu'il s'agit d'une colonne. Par exemple, si le neutrino muonique était plus massif que le muon, le muon serait également stable et composant de la matière. Si le nombre quantique chromodynamique était violé, les quarks ne seraient pas stables.

2)

D’autres univers pourraient être fait des niveaux d’énergie supérieurs au notre, mais on n’a pas encore de quoi les observer.

Pareil que la remarque 1: ce qui définit "de quoi est fait notre univers" est la stabilité des particules. Donc, non, créer un univers "plus énergétique" ne va pas permettre de créer un univers utilisant des éléments de "niveaux d'énergie supérieurs", à moins de modifier les lois de la physique (mais dans ce cas, on peut imaginer n'importe quoi).

3)

en particules hautement énergétiques : des muons. Le muon est l’équivalent plus énergétique de l’électron ...

Juste une précision ici: les deux "énergétiques" n'ont rien à voir. Le premier est du au fait que les rayons cosmiques sont très énergétiques (avec des muons des millions de fois plus énergétique que les muons qu'on trouve typiquement dans les interactions du LHC), le deuxième exprime le fait que les muons sont plus massifs que les électrons (je pense que quelqu'un qui fait de la physique des particules n'utiliserait sans doute pas le mot "énergétique" dans ce contexte).

4)

si ce n’est beaucoup plus si on veut s’affranchir de la fusion probabiliste par effet tunnel

Là, je ne suis pas un expert, mais il me semble que l'effet tunnel permet au contraire d'avoir une fusion à plus basse énergie. Ne serait-ce pas le contraire: si l'effet tunnel n'existait pas, il faudrait cette énergie (mais ce n'est pas vraiment une remarque pragmatique vu que l'effet tunnel existe) ?

5)

C’est un peu ce qu’ils font au Cern dans le LHC et dans les autres accélérateurs de particules dans le monde.

Non, les accélérateurs ne sont pas des machines qui permettent de créer des atomes exotiques (simplement parce que si on veut assembler 2 particules pour en faire un atome, il ne faut surtout pas leur donner plein d'énergie qui leur permet de briser le couplage).

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Le Hollandais Volant a dit :

@nico : Pour la 1, oui, d’où mon « sûrement ».
Pour la 2) ce que je voulais dire, c’est que pour qu’une galaxie de muons et de quarks C/S existe, il n’y a que la stabilité qui manque.
3) exacte oui, le second "énergétique" c’est dans le sens "massique".
4) c’est bien ça : l’effet tunnel réduit la température nécessaire à la fusion. C’est pour ça que le soleil peut entretenir une fusion à seulement 15 M°C. Si on veut faire un fusion sans effet tunnel (donc s’affranchir de ça et ne plus compter uniquement sur cet effet), il faut bien une température plus haute.
5) c’est pourtant le Cern qui a réussit à faire de l’anti-hélium et quelques autres anti-particules. C’est un début.

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nico a dit :

@Le Hollandais Volant :
2) ok. le "mais on n’a pas encore de quoi les observer" est bizarre, car il semble dire que ça pourrait exister.
4) l'effet tunnel est toujours là. La question de faire de la fusion "sans effet tunnel" n'a pas vraiment de sens. C'est comme dire: si je veux faire de la fusion sans l'interaction faible, il me faudra plus d'énergie. À mon avis, lorsque les physiciens parlent de résultat "sans effet tunnel", c'est simplement parce que c'est une étape logique du raisonnement, mais ça ne correspond pas à une situation réaliste.
5) Il n'y a pas que le LHC au Cern (ni que le Cern comme laboratoire de physique des particules). Créer des anti-atomes nécessite des conditions totalement différentes que celles nécessaires pour explorer la physique à haute énergie.

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Le Hollandais Volant a dit :

@nico : 2) mais rien n’indique que ça n’existe pas, dans un autre univers que le nôtre.
Si t’as un univers où le temps s’écoule beaucoup moins vite par rapport au notre, alors un Tau ou un Quark Top ont des durées de vies assez longues. Il suffit que les interactions soient alors bien plus rapide également, mais comme tu dis, on peut imaginer ce qu’on veut après.

4) oui il est toujours là, mais la question est « est-ce qu’on compte dessus pour pratiquer la fusion, ou augmente t-on la température pour accroître le taux de fusion ? ».
Quand on chauffe à 100 M°C, la fusion se fera indépendamment de l’effet tunnel, avec une probabilité de fusion beaucoup plus importante, ce qui est plus intéressant dans la pratique.

Ce qui permet la fusion nucléaire c’est le fait de vaincre la répulsion du noyau : si on arrive à approcher suffisamment deux noyaux ensembles, alors ils fusionne (on franchit la barrière coulombienne). On peut faire ça en chauffant à 100 M°C, ce qui va accélérer les noyaux de façon à ce que le choc les approche assez ou on peut attendre qu’un noyau "surgit" par effet tunnel juste à côté d’un autre et en profite pour se coller à lui, auquel cas il suffit de chauffer à 10 M°C.

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nico a dit :

@Le Hollandais Volant :

2) Bon, déjà, un temps qui s'écoule plus lentement, c'est déjà tout une question, vu que le temps des physiciens n'a pas de vitesse d'écoulement. De plus, avec ce mécanisme, les durées de vies sont allongées pour toutes les particules, et on en revient à un univers totalement similaire au notre, y compris la façon dont la matière y est traitée, et on se retrouve donc avec exactement la même matière stable.

Par contre, oui, on peu imaginer par exemple un univers où les intéractions physiques sont différente. C'est d'ailleurs ce que je disais dans mon point 1: le fait que les particules stables sont dans la première colonne est en partie due au hasard.

J'ai dit moi-même que la question d'un autre univers avec une physique différente est inutile car toujours vraie. Le fait de la placer là, dans ce contexte-là, après avoir dit que la stabilité était une question d'énergie (alors qu'elle dépend bien plus de la description des interactions), prête particulièrement à confusion. Je suis sur que la majorité des non-physiciens qui ont lu ça se sont mis en tête une explication qui est fausse.

4) "Indépendamment de l'effet tunnel" ne veut rien dire. L'effet tunnel n'est pas un plug-in qu'on rajoute à la théorie, l'effet tunnel est une conséquence de la façon dont fonctionne le monde quantique. La situation n'est pas un atome planètaire (un noyau classique avec un électron classique qui tourne autour de lui) + une probabilité d'effet tunnel où le noyau peut "sauter" une barrière de potentielle.
Une telle description a un intérêt dans certains calculs ou dans certaines vulgarisations quand le contexte fait que c'est légitime et judicieux.
Ici, cette vision est inutile et présenter les choses comme ça alors qu'elles ne sont pas comme ça, dans un contexte où cette vision n'aide pas à comprendre, va simplement mettre en tête des lecteurs une explication qui est fausse.

Désolé si je semble m'entêter, mais la façon dont tu réponds aux commentaires est telle qu'on a l'impression que tu prétends que les éléments que j'ai souligné sont très bien comme ça et qu'il n'y a rien à y redire.

Faire de la vulgarisation nécessite de comprendre vraiment la physique sous-jacente. Si on ne la comprend que par vulgarisation interposée, on ne fait que du téléphone arabe, en prenant ce qui était imagé pour argent comptant. C'est non seulement dommage, mais c'est aussi dommageable, car ça induit les lecteurs en erreur.

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Le Hollandais Volant a dit :
L'effet tunnel n'est pas un plug-in qu'on rajoute à la théorie

Un des plugins ici est la température.

Regarder la fusion comme seulement une conséquence de l’effet tunnel c’est faux. L’effet tunnel ne suffit pas pour fusionner : sinon pourquoi une bouteille d’hydrogène ne contient pas de l’hélium si j’attends quelques jours ou années ?
À partir d’un moment, le facteur de température devient nécessaire. Et à partir d’un autre moment, la température suffit à faire fusionner ce qu’on veut sans avoir à se soucier de l’efficacité de l’effet tunnel.

Je sais très bien que l’effet tunnel est toujours là, je ne suis pas aussi idiot que tu le pense.
Je dis ici que la température est un facteur — et même un catalyseur — de la réaction de fusion. Et contrairement à l’effet tunnel qui, comme tu dis « est une conséquence de la façon dont fonctionne le monde quantique », on peut jouer sur la température. Et c’est bien le but ici : si je veux accélérer le processus de fusion dans mon réacteur, j’ai un seul bouton qui marche : celui de la température. Le bouton de l’effet tunnel ne marche pas : on peut ni le désactiver, le l’augmenter ou le diminuer.

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nico a dit :

@Le Hollandais Volant :
Je ne vois pas du tout pourquoi tu me sors cette réponse.
J'ai l'impression que tu lis des mots au hasard et rebondis dessus sans lire le commentaire.

Déjà, tu te doutes bien que je sais ce qu'est l'effet tunnel (pas que je sois le plus grand expert sur le sujet, et je suis un peu rouillé, mais on ne peut pas dire que je ne sais pas de quoi je parle). Du coup, m'expliquer que la température permet de surmonter la barrière de potentiel, tu te doutes bien que c'est évident pour moi.

C'est ce que je disais quand je disais que j'avais l'air de m'entêter: tu n'as pas l'air du tout de comprendre mes commentaires alors qu'ils sont bien formés. Du coup, je ré-explique. Et tu réponds quelque chose qui m'informe que tu n'as pas compris de nouveau.


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