Réactions nucléaires avec des ions lourds

Les réactions nucléaires avec des noyaux lourds (ou avec des ions lourds) sont des réactions provoquées par la collision de deux noyaux atomiques accélérés, soit naturellement comme les rayons cosmiques ou lors de la nucléosynthèse stellaire, soit artificiellement par des accélérateurs. On les distingue des réactions avec des particules légères (photons, protons, neutrons ou particule α) ; les noyaux du faisceau vont du plus léger comme le lithium (nombre de nucléons 6) aux plus lourds comme l'uranium ( 238). Le paramètre essentiel est l'énergie cinétique des noyaux accélérés, qui se mesure en MeV par nucléon (traditionnellement notée MeV/A). Désormais, la gamme d’énergie accessible est très étendue, elle va de quelques MeV/A à la quelques TeV/A (un facteur 10). Il en résulte une très grande variété de phénomènes. Par exemple : à basse énergie, création de deux noyaux en sortie, proches des noyaux initiaux ; à plus haute énergie, multifragmentation (noyaux légers et nucléons isolés) et création de particules élémentaires nouvelles ; dissociation des nucléons eux-mêmes aux énergies ultrarelativistes. Aux basses énergies (proches de la barrière coulombienne), les objectifs sont l’étude de la structure des noyaux et de leurs modes d’excitation, l’exploration de la vallée de la stabilité par création de noyaux radioactifs inconnus, dits exotiques : « Ces noyaux à durée de vie limitée, instables, radioactifs, [...] développent des structures inhabituelles (grande extension de matière, halo ou peau de neutrons, couches présentant de nouveaux nombres magiques) ». Aux plus hautes énergies, on étudie les propriétés de la matière nucléaire et de ses différentes phases (liquide superfluide, gaz de nucléons et de fragments nucléaires, plasma quark-gluon). Le début du est marqué par la découverte de la radioactivité naturelle. Les chercheurs démontrent très vite que les radioactivités α puis β sont des désintégrations nucléaires (Frederick Soddy et Ernest Rutherford, en 1903), puisque le noyau atomique après émission est différent du noyau initial.