Néon 20 : un noyau en forme de quille pour sonder la matière de l’Univers primitif

À la suite d’une prévision théorique du CEA - DAM, en 2025, le Cern, laboratoire regroupant presque toutes les nations du monde, a modifié le programme de son grand accélérateur situé à la frontière franco-suisse. Les calculs prévoient que la forme du noyau de néon 20, comportant vingt protons et neutrons, laisse une trace mesurable dans les particules émises après collision [1]. Les grands détecteurs du Cern se sont alors focalisés sur ces collisions. Les premiers résultats ont confirmé les attentes : pour la première fois, la géométrie interne d’un noyau léger a été reliée quantitativement à des observations.

Pour comprendre l’enjeu de ces travaux, il faut se rappeler ce qui se produit lorsqu’on fait entrer en collision deux noyaux d’atomes à des vitesses proches de celle de la lumière. Pendant un instant extrêmement bref se forme un état de la matière appelé plasma de quarks et de gluons. On peut l’imaginer comme une « soupe » extrêmement chaude et dense dans laquelle les briques élémentaires – quarks et gluons – des protons et des neutrons constituant un noyau d’atome ne sont plus confinées à l’intérieur des noyaux. Cet état aurait rempli l’Univers quelques microsecondes après le Big Bang. L’étudier permet donc d’éclairer la manière dont la matière s’est organisée dans les tout premiers instants de l’Univers. Après sa formation, ce plasma se dilate, se refroidit, puis se reconvertit en particules ordinaires que les détecteurs enregistrent et analysent.

Cette dilatation ressemble à l’expansion d’un fluide comprimé qui se détend : l’ensemble du système évolue de façon coordonnée. Les directions dans lesquelles les particules finales sont émises gardent ainsi la mémoire de la forme initiale de la zone de collision. Pour des noyaux lourds, cette image d’une expansion organisée est bien établie. En revanche, lorsque les noyaux sont petits, la situation devient plus délicate. Le système contient peu de constituants et de légères différences dans la position initiale des nucléons peuvent modifier sensiblement le résultat. Ces variations d’un événement à l’autre, appelées fluctuations, brouillent les signatures et rendent l’interprétation plus incertaine : il devient difficile de savoir si l’on observe réellement un mouvement d’ensemble du système ou simplement des effets individuels.

Pour dépasser cette difficulté, nous avons choisi une stratégie simple dans son principe : comparer deux noyaux légers presque identiques par leur masse, mais très différents par leur forme. L’oxygène 16 est plutôt compact, tandis que le néon 20 présente une géométrie allongée bien connue des physiciens nucléaires (figure 1), qui rappelle une quille. L’idée est que, si deux systèmes ont la même taille, mais pas la même forme, toute différence observée dans les particules finales peut être attribuée à cette géométrie. En s’intéressant surtout à l’écart entre les deux situations, une grande partie des fluctuations s’annule. C’est là que réside le résultat marquant de ce travail : la forme microscopique d’un noyau, calculée théoriquement, se retrouve dans la répartition des particules mesurées après une collision à très haute énergie.

Pour décrire cette forme avec précision, nous avons employé deux méthodes de calcul indépendantes. Parmi elles, la méthode dite des coordonnées génératrices projetées, formulée dans le cadre d’une collaboration entre physiciens nucléaires de trois directions du CEA (DAM, DES, DRF), a été déployée sur le supercalculateur Topaze du Très Grand Centre de calcul, situé sur le site du centre DAM Île-de-France. Ces calculs produisent de véritables cartes de la répartition de la matière à l’intérieur des noyaux, qui servent ensuite de point de départ à des simulations complètes de collisions. Les simulations indiquent que la forme allongée du néon 20 devrait produire une anisotropie légèrement plus marquée dans la distribution finale des particules que l’oxygène 16, avec un écart de l’ordre de 10 à 15 %, suffisamment important pour être mesuré [1].

La clarté de cette prévision a conduit le Cern à adapter le calendrier de son grand accélérateur de 27 km de long (LHC, pour Large Hadron Collider). À l’été 2025, des collisions néon-néon ont été programmées immédiatement après les collisions oxygène-oxygène déjà prévues. Les quatre grands détecteurs installés sur le faisceau ont analysé ces données. Les premiers résultats rendus publics [2-5] montrent une évolution conforme aux attentes théoriques. Autrement dit, la forme du noyau initial apparaît indirectement dans les mesures finales, ce qui constitue un jalon important dans l’étude de la matière nucléaire à haute énergie.

Au-delà du seul cas du néon 20, cette avancée ouvre plusieurs perspectives. Les collisions à très haute énergie deviennent un moyen indirect de sonder l’organisation interne des noyaux, complémentaire des méthodes traditionnelles de physique nucléaire. Elle permet également de tester jusqu’à quelle taille un système nucléaire peut évoluer comme un ensemble coordonné plutôt que comme une collection de particules indépendantes. Enfin, cette approche instaure une méthode de comparaison entre systèmes voisins qui réduit fortement les incertitudes et établit un pont direct entre la physique nucléaire dite de basse énergie, centrée sur la structure des noyaux, et la physique des hautes énergies étudiée avec les grands accélérateurs.

En montrant qu’un détail de structure nucléaire peut être « lu » dans des collisions à des énergies extrêmement élevées, ces travaux transforment ainsi les accélérateurs en instruments de précision capables non seulement de recréer la matière des premiers instants de l’Univers, mais aussi d’éclairer l’organisation intime des noyaux d’atome.