L’intelligence artificielle et le test de Turing

Par Jean-Paul DELAHAYE Professeur émérite à l’Université Lille 1
Chercheur au Laboratoire d’Informatique Fondamentale de Lille
En conférence le 15 avril

En 1950, Turing proposa un test d’intelligence pour les machines. Il pensait que les progrès de l’informatique permettraient de le satisfaire en cinquante ans. Même si les avancées de l’Intelligence artificielle ont été remarquables, aujourd’hui, aucune machine ne passe le test.
Est-ce qu’une machine avec laquelle nous échangeons des messages écrits sans contrainte de sujet peut tenir son rôle d’une façon telle qu’on ne réussisse pas à savoir si nous dialoguons avec un humain ou un système informatique ? C’est le test proposé par Alan Turing en 1950. Il pensait qu’on saurait construire de tels systèmes à la fin du XXème siècle. La réalité est qu’en 2014, malgré d’immenses progrès dans le domaine de l’Intelligence artificielle, on ne sait pas réaliser de programmes possédant une intelligence générale permettant de passer le test avec succès. Les progrès ont porté sur des capacités spécialisées (jeux d’échecs, traitement de problèmes mathématiques, dialogues en langue naturelle sur des sujets limités, etc.). Récemment, avec l’ordinateur Watson de la firme IBM, un pas a été franchi concernant ce qui était l’obstacle principal : la programmation du sens commun.
Le jeu de l’imitation
Définir l’intelligence est difficile et il n’est pas certain qu’on puisse y arriver un jour d’une façon satisfaisante. C’est cette remarque qui poussa le mathématicien britannique Alan Turing, il y a soixante ans, à proposer le jeu de l’imitation qui fixait un objectif précis à la science naissante des ordina- teurs qu’on n’appelait pas encore informatique.
Le jeu de l’imitation consiste à mettre au point une machine impossible à distinguer d’un être humain. Précisément, Turing suggérait qu’un juge J échange des messages dacty- lographiés avec, d’une part, un être humain H et, d’autre part, une machine M, ces messages pouvant porter sur toutes sortes de sujets. Le juge J ne sait pas lequel de ses deux interlocuteurs (qu’il connaît sous les noms A et B) est la machine M et lequel est l’humain H. Après une série d’échanges, le juge J doit deviner qui est la machine et qui est l’être humain.
Turing pensait que si un jour nous réussissons à mettre au point des machines rendant impossible l’identification correcte (c’est-à-dire conduisant le juge J à un taux de mauvaise identification de 50 % identique à ce que donnerait une réponse au hasard), alors nous pourrons affirmer avoir conçu
une machine intelligente ou – ce que nous considérerons comme équivalent – une machine qui pense. Sa procédure aujourd’hui appelée test de Turing a donné lieu à de nom- breuses discussions intéressantes et est à l’origine d’une série de réalisations informatiques concrètes mises en compétition annuellement lors d’un prix organisé à l’initiative de Hugh Loebner. Les résultats des logiciels participant au jeu de l’imi- tation progressent chaque année..., mais assez lentement.
Est-ce que le test de Turing caractérise l’intelligence ?
Il faut mesurer à quel point réaliser un programme qui passe le test de Turing est difficile. Mettons-nous dans la peau du juge J dialoguant, par le biais d’un terminal d’ordinateur, avec les deux interlocuteurs A et B.
Une première idée, pour reconnaître la machine, consiste à poser une question du type « quelle est la valeur de 429 à la puissance 3 ? ». Si A répond 78953589 au bout d’une seconde et que B refuse de répondre, ou attend trois minutes pour proposer un résultat, il ne fera pas de doute que A est la machine et B l’humain. Cependant, les spécialistes qui conçoivent les programmes pour passer le test de Turing ne sont pas idiots et ils prévoient cette ruse grossière. Leur programme, bien que capable sans mal de mener le calcul de 4293 en une fraction de seconde, refusera de répondre ou demandera dix minutes avant de fournir un résultat, ou même proposera une réponse erronée. Tout ce qu’un humain ne sait pas très bien faire et qu’un ordinateur réussit sans mal – la mémorisation d’une suite de cent chiffres aléa- toires est un autre exemple – sera traité de la même façon : l’ordinateur fera semblant de ne pas réussir. Pour reconnaître l’humain, la méthode du juge doit donc s’appuyer sur des tâches que les humains traitent sans mal et sur lesquelles les ordinateurs buttent.

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Au coeur de la matière : les atomes (1/3)

L’idée que la matière est composée d’unités insécables appelées « atomes » a traversé les siècles, en étant parfois rejetée et parfois acceptée.
Les débuts de la chimie quantitative, au début du XIXe siècle, marquent son retour en force. Durant ce siècle, adversaires et partisans de « l’hypothèse atomique » se sont combattus avec ardeur.
Enfin, au XXe siècle, physiciens et chimistes n’ont pu qu’admettre la structure microscopique de la matière qui compose notre Univers et s’atteler à l’étude de ces objets complexes que sont les atomes.
Juillet 2014

L'ATOME
Au coeur de la matière : les atomes
Propriétés physico-chimiques de la matière
Le noyau atomique, un autre monde, une autre physique
Un atome est constitué d'un noyau de protons et de neutrons, et d'un nuage d'électrons.
HISTORIQUE

Date de parution : 2014

REPRÉSENTATION DU NUAGE ÉLECTRONIQUE DE L'ATOME DE LITHIUM

L’atome de lithium représenté a trois protons, quatre neutrons et trois électrons.
On ne peut pas donner la position exacte des trois électrons dans le «nuage électronique». Dans cette représentation, les électrons se trouvent, de façon plus probable, dans les zones les plus foncées. Cette image est le résultat de formules mathématiques.
Représentation du nuage électronique de l'atome de Lithium - Crédit Yuvanoe/CEA
Représentation du nuage électronique de l'atome de Lithium - Crédit Yuvanoe/CEA

Comment voir les atomes ?

De la matière à l'atome : l'exemple de l'eau

Découverte de l'électron

Qu'est-ce que la masse ?

L’idée que la matière est composée d’éléments insécables est apparue dès le Ve siècle avant l’Ère Chrétienne.
De 1600 à 1800, le recours à des entités extrêmement petites (molécules ou atomes) pour décrire la matière se trouve sous la plume d’auteurs réputés : Galilée dans « Il Saggiatore » ou Descartes dans « Le Monde ».
En 1808, John Dalton reprend l’idée d’atomes afin d’expliquer les lois chimiques. Dans sa théorie atomique, il fait l’hypothèse que les particules d’un corps simple sont semblables entre elles, mais différentes lorsque l’on passe d’un corps à un autre. Toute réaction chimique doit alors pouvoir être identifiée comme étant un nouvel agencement d’atomes, ces derniers ne subissant aucune altération.
En 1897, Joseph John Thomson montre que les rayons cathodiques sont composés de particules massives et chargées négativement : les électrons. Il imagine alors que les atomes sont constitués d’une matière chargée positivement et aussi pleine d’électrons.
En 1908, Jean Perrin démontre définitivement que la matière est constituée d’atomes.
En 1911, Ernest Rutherford découvre, en envoyant des particules sur une feuille d’or, que l’essentiel de la matière atomique est concentrée dans un noyau très petit entouré d’électrons dont le comportement reste à éclaircir. C’est encore lui qui, en 1918, imagine que les noyaux atomiques sont composés de protons, particules beaucoup plus massives que les électrons et chargées positivement. Mais les mesures de masses et de charges des noyaux atomiques démontrent qu’il existe des protons neutres, nommés neutrons dès 1920. James Chadwick les découvre en 1932.
En 1913, Niels Bohr propose le premier modèle décrivant les niveaux d’énergie des électrons.
En 1964, Murray Gell-Mann et Georg Zweig développent la première forme de la théorie des quarks qui ont été mis en évidence en 1968.

ORIGINE ET DESTIN DES NOYAUX ATOMIQUES

La matière que nous connaissons constitue 5 % du contenu total de l’Univers. La plupart des atomes qui le composent (hydrogène, hélium et un peu de lithium) ont été formés dans ses premiers instants. C’est ce que l’on appelle la nucléosynthèse primordiale. Tous les noyaux atomiques stables ont été formés au cœur des étoiles par la réaction de fusion nucléaire qui conduit des noyaux légers à fusionner et former des noyaux plus lourds.

Au cours de leur existence, les étoiles créent ainsi des noyaux pouvant avoir jusqu’à 26 protons, c’est-à-dire des noyaux d’atomes de fer. A la fin de leur évolution, les étoiles les plus massives explosent en supernova. L’énergie considérable de cette explosion permet de synthétiser de nombreux noyaux plus lourds. Ceux qui sont stables, ou qui ont une très longue période radioactive, se retrouvent dans les nuages de gaz et de poussière à partir desquels de nouvelles étoiles se forment.

Ainsi, la Terre est composée de 32,1 % de fer, 30,1 % d’oxygène, 15,1 % de silicium, 3,9 % de magnésium, et de tous les autres éléments en proportions inférieures. Elle renferme aussi des isotopes instables (radioactifs) dont la désintégration régulière est à l’origine de son état thermique interne : potassium 40, uranium 238 et thorium 232 principalement.


QU’EST-CE QU’UN ATOME ?

Bien qu’il soit probable qu’une proportion importante de la masse de l’Univers soit de nature inconnue (matière noire), la matière qui nous est familière est constituée d’atomes. Les multiples modes d’assemblage de ces atomes les uns avec les autres produisent l’immense diversité matérielle des molécules, macromolécules, polymères, cristaux, métaux, nanomatériaux…

Trois briques composent les atomes : les protons, les neutrons et les électrons.

Le noyau central est un assemblage de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons constituent les nucléons (du mot latin “nucleus” signifiant noyau).
Chargés négativement, les électrons (qui appartiennent à la catégorie des fermions) restent à proximité du noyau chargé, lui, positivement. Individuellement, ils ne sont pas vraiment des corpuscules, mais forment un nuage électronique où leurs énergies plus ou moins grandes leur confèrent une agitation plus ou moins intense. Ils sont comme étalés dans l’espace, mais on peut calculer la probabilité de les détecter en tel ou tel endroit.

DIAMÈTRES ATOMIQUES ET NUCLÉAIRES

Le diamètre du nuage électronique va de 0,5x10-10 m (hydrogène) à 4,3x10-10 m (radium). C’est très petit : il faudrait « empiler » 1 000 000 d’atomes d’hydrogène pour obtenir le diamètre d’un cheveu !
Longtemps considérés comme inexistants car impossibles à visualiser, les atomes sont devenus une réalité tangible depuis l’invention des microscopes à sonde locale.
Le noyau atomique est beaucoup plus petit. Celui de l’atome d’hydrogène (un unique proton) a un diamètre de 2x10-15 m, celui de l’atome d’uranium est de 2x10-14 m. Le diamètre du noyau est à peu près 100 000 fois plus petit que celui de l’atome lui-même.


VOLUME, MASSE ET MASSE VOLUMIQUE

Les corps solides qui constituent notre environnement courant (métaux, cristaux, polymères) sont constitués d’atomes qui sont attachés les uns aux autres par l’intermédiaire de liaisons assurant leur cohésion. Ainsi, la masse volumique des atomes est voisine de celles de ces corps.
Très petits, les atomes ont à la fois une masse et un volume minuscules. Si l’on prend par exemple une tête d’épingle en fer, d’un volume de 1 mm3, elle est constituée de 60 millions de milliards d’atomes de fer !
Un proton et un neutron ont a peu près la même masse, qui est 1 840 fois plus grande que celle d’un électron, si bien que le noyau concentre quasiment toute la masse de l’atome. Le diamètre d’un noyau d’atome de fer est de l’ordre de 10-14 m, sa masse vaut 9,3x10-26 kg, la masse volumique de ce noyau est donc de 1,4x1017 kg.m-3, ce qui fait un peu plus de cent milliards de kilogrammes par centimètre cube. Si la tête d’épingle n’était constituée que de noyaux d’atomes de fer, sa masse serait égale à 1,4x108 kg, soit 140 000 tonnes !

Pour estimer la masse d’un noyau, il suffit de connaître son nombre de nucléons. Sachant que la masse d’un nucléon est d’environ 1,67.10-27 kg, il est facile de calculer une masse approximative d’un atome. Cependant, le résultat du calcul n’est qu’une estimation. Mais on sait mesurer directement la masse d’un atome à l’aide d’un spectromètre de masse. Les atomes sont introduits à l’état de vapeur dans une chambre d’ionisation, puis accélérés par un champ électrique. Ils arrivent dans une zone ou règne un champ magnétique qui courbe leur trajectoire. Leur point d’arrivée sur le détecteur est caractéristique de leur masse qui peut ainsi être mesurée précisément.

CHARGE ÉLECTRIQUE

La charge électrique positive du proton est exactement l’opposée de celle, négative, de l’électron (le neutron est neutre). Ainsi tout atome, qui possède autant de protons dans son noyau que d’électrons dans son nuage électronique, est électriquement neutre.
Cependant, dans certaines conditions (réactions chimiques…), l’atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons et peut alors être chargé positivement ou négativement. Il est alors appelé ion.

ÉLÉMENTS CHIMIQUES ET ISOTOPES

Pour un atome donné, le nombre Z de protons, qui est aussi celui des électrons, est son numéro atomique. Le nombre de ses neutrons est noté N. La somme N + Z = A comptabilise donc les nucléons et est appelée nombre de masse.

Ces nombres définissent les éléments chimiques. Chacun est désigné par un symbole (X) et son numéro atomique (ZX) ; par exemple, 1H pour l’hydrogène qui n’a qu’un proton, 26Fe pour le fer qui en a 26. Imaginé en 1869 par Dimitri Mendeleïev afin de classer les atomes en fonction de leur masse et de leurs propriétés chimiques, son tableau a progressivement pris sa forme actuelle.

Tableau périodique des éléments - Crédit : Yuvanoe/CEA
Tableau périodique des éléments - Crédit : Yuvanoe/CEA

On trouve sur Terre 90 éléments chimiques comprenant de 1 à 92 protons. Certains, comme le technétium avec 43 protons ou le prométhium avec 61 protons, n’existent pas à l’état naturel. Ils peuvent cependant être créés en laboratoire, ainsi que d’autres éléments chimiques comprenant plus de 92 protons, comme par exemple le plutonium avec 94 protons.

Tous les atomes d’un élément chimique donné comportent le même nombre de protons (c’est d’ailleurs ce nombre qui définit l’élément chimique). Mais ils peuvent ne pas tous avoir le même nombre de neutrons. Deux atomes ayant le même nombre de protons et un nombre différent de neutrons sont des isotopes de cet élément.
Par exemple :

Tous les isotopes de l’hydrogène ont un seul proton mais peuvent avoir zéro, un ou deux neutrons. Ce sont l’hydrogène simple (le plus répandu), le deutérium et le tritium.
Tous les isotopes du carbone ont 6 protons. Les plus abondants ont 6, 7 ou 8 neutrons.
Tous les atomes d’uranium ont 92 protons. Deux isotopes existent dans la nature : l’uranium 235 avec 143 neutrons (235 = 92+143) et l’uranium 238 avec 146 neutrons (238 = 92 + 146).
Un isotope est appelé par le nom de son élément chimique associé au nombre total de ses nucléons, ce qui donne par exemple pour le carbone : 12C, 13C et 14C.

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Propriétés physico-chimiques de la matière (2/3)
Janvier 2015

L'ATOME
Au coeur de la matière : les atomes
Propriétés physico-chimiques de la matière
Le noyau atomique, un autre monde, une autre physique
Les propriétés chimiques d’un atome dépendent seulement du nombre et de la disposition des électrons dans leur nuage ; tous les isotopes d’un même élément ont donc les mêmes propriétés chimiques. Cependant, la légère différence de masse de leur noyau fait que leurs propriétés physiques se différencient quelque peu.


PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DE L’ATOME

Du nuage électronique dépend la diversité matérielle
NOTIONS CLÉS

Moment cinétique
Propriété décrivant la vigueur
du mouvement orbital.
Spin
Propriété interne à l’électron, assimilable à la rotation.
Liaison covalente
Chacun des atomes liés met en commun un électron d’une de ses couches externes afin de former un doublet d’électrons liant les deux atomes.
Liaison métallique
Les atomes mettent en commun un ou plusieurs électrons dits libres, ou délocalisés.
Les électrons du nuage électronique d’un atome ne peuvent se comporter n’importe comment. S’il n’est pas possible de leur assigner des trajectoires bien définies, on peut en revanche décrire l’état dans lequel chacun se trouve grâce à quatre propriétés : leur énergie, leur moment cinétique, la projection de ce moment cinétique sur une direction donnée et leur spin.

La structure du nuage électronique qui résulte de la distribution de ces propriétés a deux conséquences.

La première est la répartition des symboles chimiques dans le tableau de Mendeleïev.
La seconde est la nature des propriétés chimiques des différents éléments.
Certaines configurations de nuages électroniques sont particulièrement stables. De tels atomes ne réagissent pas chimiquement, ils sont inertes. Ce sont les atomes des gaz rares dont les symboles sont écrits dans la colonne la plus à droite du tableau de Mendeleïev.

Les atomes à proximité des gaz rares tendent à modifier leur nuage électronique de façon à ce qu’il ressemble à celui d’un gaz rare. Pour cela, ils s’ionisent, en gagnant ou perdant un ou plusieurs électrons, ou établissent une liaison covalente avec d’autres atomes. Ils partagent alors la propriété de certains électrons.

La matière dite « organique », c’est-à-dire construite autour de la covalence des atomes de carbone, oxygène, azote et hydrogène, est une mine inépuisable de molécules.

Les autres atomes du tableau périodique ont des structures électroniques plus complexes. Ils s’organisent collectivement en s’associant par liaison métallique. Le métal obtenu est solide à température normale et conducteur de courant électrique.


PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE LA MATIÈRE

POUR EN SAVOIR PLUS

Voir l'infiniment petit : Zoom sur deux instruments qui permettent de caractériser la matière à l'échelle nanométrique : le microscope à effet tunnel et le microscope à force atomique.

Les outils pour le nanomonde

Toutes les propriétés physiques de la matière : dureté, malléabilité, ductilité, transparence, couleur, températures de changements d’états, caractère conducteur ou isolant… ainsi que toutes ses propriétés chimiques : acide ou base, oxydant ou réducteur, solvant ou soluté… sont dues aux différents comportements adoptés par les électrons dans les nuages électroniques.

On sait aujourd’hui organiser ces atomes de façon à obtenir des propriétés nouvelles, comme la supraconduction à haute température, des propriétés magnétiques renforcées, une miniaturisation des circuits électriques ou la possibilité d’y stocker de l’information.

Voir et sonder les atomes
De notre échelle à celle du micromètre, il est possible de former des images à l’aide des ondes lumineuses, en utilisant un microscope optique. Pour former les images d’objets plus petits, il faut utiliser des particules, comme des électrons, dont la longueur d’onde associée est plus petite que le micromètre. Le principe des microscopes électroniques est le même que celui des microscopes optiques (par exemple les microscopes électroniques à balayages MEB).
En poussant leurs performances à l’extrême, les chercheurs sont parvenus à descendre jusqu’à l’échelle atomique (0,1 nm). Depuis le début des années 1980, les microscopes à sonde locale ont vu le jour. Leur principe repose sur l’exploration d’une surface relativement plane par une sonde très fine qui interagit avec les atomes. On peut citer le microscope à effet tunnel (STM pour Scanning tunneling microscope) qui utilise un faible courant électrique passant entre l’échantillon et une pointe, le microscope à force atomique (AFM) qui utilise l’interaction mécanique entre l’échantillon et une pointe montée sur levier souple, et le microscope optique à champ proche qui exploite, à l’aide d’une fibre optique très fine, les ondes évanescentes au voisinage de la surface de l’échantillon.
Un dernier type est apparu récemment : le microscope à luminescence induite par effet tunnel (STL).
Tous ces microscopes permettent l’étude, à l’échelle atomique, de diverses molécules et de leur comportement sur différents substrats. Il n’est guère possible de former des images des noyaux atomiques. Il est cependant possible d’en produire en calculant la répartition des masses et des charges à l’intérieur des noyaux et en confrontant ces calculs à la mesure de certaines de leurs propriétés.

LES QUATRE INTERACTIONS FONDAMENTALES

Pour rendre compte de tous les phénomènes auxquels ils ont accès, les physiciens ont besoin de ne faire intervenir que quatre forces, qu’ils jugent « fondamentales ». Quelles sont-elles ?

La gravitation, bien sûr, identifiée par Isaac Newton il y a plus de trois siècles ;
l’interaction électromagnétique, identifiée en tant que telle par James Clerk Maxwell dans la seconde moitié du XIXe siècle, et qui rend compte de la cohésion de la matière à notre échelle ;
l’interaction nucléaire faible, découverte dans les années 1930, qui gère certains processus radioactifs, notamment la radioactivité bêta ;
l’interaction nucléaire forte - découverte à peu près au même moment que l’interaction nucléaire faible - qui lie très solidement entre eux les constituants des noyaux atomiques.
La gravitation
La gravitation gouverne bien d’autres phénomènes, de la chute des corps au mouvement des planètes. Elle est également à l’origine de la formation des étoiles à partir du gaz primordial, qu’elle oblige à se contracter. Et, grâce à elle encore, les étoiles, une fois formées, s’attirent les unes les autres, formant ainsi des galaxies.
L’interaction gravitationnelle est attractive et de portée infinie (c’est-à-dire que la force qui existe entre deux masses n’est nulle que si ces deux masses sont séparées d’une distance infinie).
Nul écran ne pouvant en stopper l’influence, il est vain d’espérer l’amoindrir ou la supprimer. Mais son intensité est beaucoup plus faible que celle des autres interactions, si bien qu’on peut négliger ses effets à l’échelle des particules, soumises par ailleurs à des forces beaucoup plus intenses.

L’interaction électromagnétique
L'interaction électromagnétique est beaucoup plus intense que la gravitation. Elle agit de façon manifeste autour de nous puisqu’elle fait fonctionner tous nos appareils électroménagers.
Mais à un niveau plus fondamental, elle assure surtout la cohésion des atomes et des molécules, gouverne toutes les réactions chimiques et aussi les phénomènes optiques (puisque la lumière est constituée d’ondes électromagnétiques, structurées en photons). À l’instar de l’interaction gravitationnelle, elle a une portée infinie, mais, étant tantôt attractive, tantôt répulsive (selon le signe des charges électriques en présence), ses effets cumulatifs sont annulés à grande distance du fait de la neutralité globale de la matière.

L’interaction nucléaire faible
L'interaction nucléaire faible a une portée très courte, d’environ un milliardième de milliardième de mètre. Autant dire qu’il s’agit, comme la colle, d’une interaction de contact : deux particules ne peuvent interagir par elle que si elles se touchent quasiment. Elle est notamment responsable de la radioactivité bêta, par laquelle un neutron se désintègre en un proton et un électron. Comme son nom l’indique, l’interaction faible est caractérisée par une très faible intensité qui la rend difficile à observer. Mais cela ne l’empêche pas de jouer un rôle capital, notamment dans le Soleil, où elle régit les réactions de fusion des noyaux d’hydrogène.
Si elle disparaissait de l’Univers, notre étoile cesserait de briller…

L'interaction nucléaire forte
L’interaction nucléaire forte est la plus intense des quatre interactions fondamentales, mais elle est restée longtemps cachée. Les physiciens ont deviné son existence dans les années 1930, lorsqu’ils se sont rendus compte que la stabilité des noyaux atomiques avait quelque chose d’étonnant. Puisqu’ils portent des charges électriques de même signe, les protons au sein d’un noyau atomique se repoussent du fait de la force électrique qui tend à les séparer. Et pourtant, ils semblent très solidement attachés les uns aux autres. Par quoi donc est combattue leur répulsion électrique ? Aucune force classique ne pouvait expliquer cette cohésion nucléaire.
De là l’hypothèse, vérifiée depuis, qu’il existe au sein des noyaux atomiques une force très intense, l’interaction nucléaire forte, de portée très courte, environ un millionième de milliardième de mètre…
Cette force agit comme une sorte de glu entre deux nucléons (proton ou neutron) en contact l’un avec l’autre, mais dont la force s’affaiblit très rapidement dès qu’on les écarte un tant soit peu l’un de l’autre. Cela ne l’empêche pas d’être incroyablement puissante. Elle est par exemple capable d’arrêter, sur quelques millionièmes de milliardième de mètres, un proton lancé à cent mille kilomètres par seconde…

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Le noyau atomique, un autre monde, une autre physique (3/3)
Juillet 2014

L'ATOME
Au coeur de la matière : les atomes
Propriétés physico-chimiques de la matière
Le noyau atomique, un autre monde, une autre physique
En physique nucléaire, tout ou presque reste à découvrir.
DESCENTE DANS L’ÉLÉMENTAIRE


L'essentiel sur... les particules élémentaires de la matière
Si l’échelle des atomes et de leur nuage électronique est le nanomètre (10-9m), celle des noyaux atomiques et des nucléons est le femtomètre (10-15m). La taille des particules aujourd’hui considérées comme élémentaires est de l’ordre de 10-18 mètres.

Le noyau est un objet extrêmement dense, complexe et petit. Il est comme une poupée russe qui contient des poupées gigognes de plus en plus petites. On a longtemps pensé que les protons et les neutrons étaient des particules élémentaires, c’est-à-dire qu’elles n’avaient aucune structure interne. Cependant, dans les années 1950 et 60, les observations faites avec des accélérateurs de particules, qui augmentaient régulièrement de taille et de puissance, montrèrent que de très nombreuses particules apparaissaient à l’issue des collisions.

Cette diversité a été interprétée en supposant qu’elles étaient composées de constituants encore plus petits, baptisés quarks. Les nucléons contiennent des quarks up et down qui s’assemblent par groupe de 3 grâce à l’interaction forte. Les quarks sont des fermions (comme les électrons) ; on en connaît actuellement six, répartis en trois générations. Ils interagissent attractivement en échangeant des gluons qui sont des bosons. En plus d’une charge électrique égale à -1/3e ou 2/3e, ils portent une autre charge appelée couleur : bleu, vert
ou rouge. Il ne s’agit pas de véritables couleurs mais d’un code obéissant à une logique ternaire ressemblant à celle de l’interaction forte.


Masse : à cette échelle, s'exprime en énergie, donc en électronvolt, du fait de l’équivalence masse-énergie E=mc2.Charge électrique : positive ou négative.Spin : responsable d’une partie des propriétés magnétiques à l’échelle subatomique, il permet de différencier fermions (1/2) et bosons (entier).

Le modèle standard de la physique des particules
Ce modèle standard est la théorie qui décrit les particules de la matière et les particules médiatrices des interactions fondamentales qui s’exercent entre elles, le tout à des échelles inférieures à 10-15 m.
Certaines de ces particules ont été observées et étudiées depuis longtemps. D’autres, comme le boson de Higgs prédit dès 1964 mais découvert seulement en 2012 au Cern, commencent à l’être.

STABILITÉ DES NOYAUX ATOMIQUES

LA VALLÉE  DE  LA  STABILITÉ

Les noyaux atomiques sont classés sous la
forme d’une carte qui décrit une vallée de
stabilité dont le fond est peuplé par les noyaux
stables. L’évolution des noyaux instables, des
hauteurs de la vallée vers le fond, illustre les
différents types de radioactivité.


LA DÉCROISSANCE RADIOACTIVE

L’activité d’un échantillon radioactif (qui s’exprime en becquerels) diminue avec le temps du fait de la désintégration progressive des noyaux instables qu’il contient. Pour chaque isotope radioactif, et pour chacun des processus de désintégration qu’il peut connaître, on définit le temps de demi-vie, ou période
radioactive, comme étant la durée au bout de laquelle la moitié des atomes radioactifs initialement présents a spontanément réagi. Selon les noyaux radioactifs concernés, cette période est très variable : cela peut aller de quelques millisecondes à plusieurs milliards d’années !
NOTION CLÉ

Noyaux exotiques
Noyaux caractérisés par leur déséquilibre neutrons/protons et leur temps d’existence extrêmement bref avant qu’ils ne se désintègrent.


Sur le boson de Higgs

Boson de Higgs : le graal des physiciens ?
Composés de Z protons et de N neutrons, les noyaux atomiques doivent leur cohésion à l’interaction nucléaire forte. Elle se manifeste par l’échange de mésons π entre nucléons, comme l’avait imaginé Hideki Yukawa dès 1935 (1er physicien japonais à recevoir, grâce à cette prédiction, le prix Nobel de physique en 1949). Plus tard, on comprendra que les mésons π sont constitués d’un quark et d’un antiquark de la même famille.
Neutrons et protons se répartissent l’énergie du noyau et se trouvent animés de mouvements très rapides.

L’assemblage de nucléons peut être stable (on connaît 256 noyaux stables pour 80 éléments) ou instable (près de 3 000 noyaux). On définit, pour chacun de ces noyaux instables, un temps de demi-vie, ou période radioactive T, au bout duquel la moitié des noyaux s’est désintégrée. Les noyaux instables cherchent à revenir à un état stable, via une chaîne de désintégrations. Ainsi, le césium (période 1,2 s) devient néodyme stable en se changeant en baryum (période 14,5 s), lanthane (période 14,2 min), cérium (période 33 h) et praséodyme (période 13,5 j).


LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE

La physique nucléaire est l’étude du noyau atomique et des interactions dont il est le siège.

C’est l’étude du noyau en tant que collection de nucléons qui bougent et s’attirent, celle des mécanismes intimes de leur attraction et de l’influence des quarks sur leurs propriétés et leurs comportements. Pour cela, on sonde les noyaux avec un véritable micro-scalpel adapté à leurs dimensions. On utilise un faisceau de particules accélérées qui permet de regarder quelle est la proportion des particules déviées ou absorbées. Il permet aussi de voir comment réagissent les noyaux : éjection de nucléons, production d’autres particules, etc.

Différentes modélisations des noyaux atomiques se sont succédées et complexifiées au cours des dernières décennies afin de mieux expliquer les observations de plus en plus variées et précises que les avancées techniques ont permis. Les modèles, étudiés notamment grâce à des simulations faites sur ordinateurs, ont évolué. Ils passent à des structures complexes où les nucléons forment des agrégats stables au sein du noyau ou, dans d’autres cas, constituent un halo diffus entourant un centre plus dense. C’est toute une nouvelle physique nucléaire qu’il faut réinventer.


SYNTHÉTISER ET ÉTUDIER DE NOUVEAUX NOYAUX

Depuis la découverte de la radioactivité artificielle en 1933 par Frédéric Joliot et Irène Joliot-Curie, de nombreux noyaux atomiques ont été synthétisés. Si les centres de Doubna (en Russie), de Darmstatd (en Allemagne) ou de Berkeley (aux USA) synthétisent des noyaux de numéro atomique élevé, le Grand accélérateur national d’ions lourds (Ganil) du CEA/CNRS installé à Caen permet l’étude de la stabilité de ceux qui y sont produits, de façon à mieux comprendre comment l’interaction nucléaire forte maintient les nucléons entre eux.

Deux axes de recherche sont développés :

l’étude des noyaux stables dans leurs états plus ou moins excités
la production et l’étude de noyaux exotiques.
Le Ganil a commencé à fonctionner en 1983 et son extension, Spiral2, démarrée en février 2012, sera bientôt opérationnelle.


SPIRAL (Système de productions d’ions radioactifs
en ligne)
Quadrupôles de l’accélérateur linéaire Spiral2 - crédit : P. Stroppa/CEA
Quadrupôles de l’accélérateur linéaire Spiral2 - crédit : P. Stroppa/CEA
SPIRAL est un équipement, implanté depuis 2001 au Ganil, permettant de produire et d’accélérer des noyaux exotiques. Ceux-ci se caractérisent par un fort déséquilibre entre leur nombre de protons et de neutrons et un temps d’existence extrêmement bref avant de se désintégrer. Leur étude est essentielle dans de nombreux domaines de la physique nucléaire, mais aussi de l’astrophysique, notamment pour comprendre la formation des noyaux des atomes au sein des étoiles et des supernovae. Si les physiciens savent synthétiser des noyaux exotiques en laboratoire, l’installation Spiral leur permet d’en produire en grande quantité, de les accélérer, d’observer leurs collisions avec d’autres noyaux, et ainsi de connaître leur structure.
Pour aller plus loin, l’installation Spiral2 permettra de produire des noyaux exotiques à un taux mille fois plus élevé que ce qui se fait jusqu’à présent. L’objectif sera toujours de produire ces noyaux de synthèse pour découvrir leur nature et comprendre les lois qui gouvernent leur comportement. Mais à la différence du premier accélérateur, il permettra de produire et d’étudier des noyaux plus lourds, voire des noyaux « super-lourds » jamais observés à ce jour.

LA MATIÈRE NUCLÉAIRE

L’interaction nucléaire forte permet de former des noyaux atomiques dont le nombre de masse (nombre de nucléons) ne dépasse pas 300. Mais il est possible de contraindre les nucléons à former temporairement une assemblée plus nombreuse en accélérant des ions lourds (comme des ions de plomb) avec des énergies colossales (de plusieurs TeV).

Les noyaux atomiques s’entrechoquent de face. Leurs nucléons se mélangent pendant la durée du choc et les conditions qui règnent au sein du plasma de quarks et de gluons ressemblent aux conditions de température et de pression qui étaient celles de l’Univers à ses premiers instants (scénario du Big Bang). Le plasma ainsi formé n’est pas stable et la plus grande partie de l’énergie apportée pour le constituer se transforme en un très grand nombre de particules de toutes sortes qui sont détectées instantanément. Des collisions proton-plomb permettent de distinguer ce qui se passe dans un plasma froid par rapport à un plasma chaud (plomb-plomb). L’intérêt de ces collisions est de tester les mécanismes de nucléosynthèse primordiale en confrontant les mesures actuelles avec le résultat de ce qui a eu lieu il y a 13,7 milliards d’années. C’est ce qui a été réalisé au LHC et sera poursuivi après sa remise en marche prévue en 2015.


Le boson de Higgs
Modélisation d'une collision dans le détecteur Atlas - crédit : Cern
Modélisation d'une collision dans le détecteur Atlas - crédit : Cern

Au Large Hadron Collider (LHC) ce sont parfois des protons, noyaux d’hydrogène, qui circulent en paquets très denses, 100 milliards de protons par paquet ! Le collisionneur est un anneau de 27 km de circonférence, situé à 100 m sous terre à la frontière franco-suisse. Ces paquets de protons font 11 000 tours par seconde et se rencontrent en quatre points de collisions toutes les 25 ns. L’énergie disponible alors, de 7 à 8 TeV, permet de remonter aux conditions de température et de pression régnant dans l’Univers juste après le Big Bang.
Sur les 6 millions de milliards de collisions proton-proton produites dans le LHC de 2010 à 2012, les expériences Atlas et CMS ont chacune enregistré environ 5 milliards de collisions intéressantes. Grâce à cette accumulation de données, des événements isolés s’ajoutent les uns aux autres et le signal émerge du bruit de fond. En juillet 2012, 400 collisions environ ont permis de mettre en évidence des événements signalant la particule qui ressemble au boson de Higgs. Celui-ci, prédit dès 1964 par les théoriciens François Englert, Robert Brout et Peter Higgs, leur ont valu de recevoir le prix Nobel de physique 2013.

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