Newswise — Une nouvelle façon d’étudier les quarks, l’un des éléments constitutifs des protons et des neutrons qui composent les noyaux atomiques, est proposée. Cela n’a jamais été fait auparavant et cela aiderait à répondre à de nombreuses questions fondamentales en physique. En particulier, les chercheurs pourraient utiliser la nouvelle approche pour déterminer comment la matière obtient sa masse.
L’étude de la matière peut sembler un peu comme ouvrir une pile de poupées matriochka russes, chaque niveau inférieur révélant un autre arrangement familier, mais différent, de composants plus petits et plus difficiles à explorer que le précédent. A notre échelle de tous les jours, nous avons des objets que nous pouvons voir et toucher. Qu’il s’agisse d’eau dans un verre ou du verre lui-même, il s’agit principalement d’arrangements de molécules trop petites pour être vues. Les outils de la physique, les microscopes, les accélérateurs de particules, et ainsi de suite, nous permettent de regarder plus profondément pour révéler que les molécules sont fabriquées à partir d’atomes. Mais cela ne s’arrête pas là : les atomes sont fabriqués à partir d’un noyau entouré d’électrons.
Le noyau est quant à lui un arrangement de nucléons (protons et neutrons), qui donne à l’atome ses propriétés et sa masse. Mais cela ne s’arrête pas là non plus; les nucléons sont en outre composés de choses moins familières appelées quarks et gluons. Et c’est à cette échelle que les limites de nos connaissances en physique fondamentale présentent un blocage. Car, pour explorer les quarks et les gluons, ils doivent idéalement être isolés les uns des autres ; cependant, à l’heure actuelle, cela semble impossible. Lorsque les accélérateurs de particules écrasent les atomes et créent des pluies de débris atomiques, les quarks et les gluons se lient à nouveau trop rapidement pour que les chercheurs puissent les explorer en détail. De nouvelles recherches du département de physique de l’Université de Tokyo suggèrent que nous pourrions bientôt ouvrir la prochaine couche de la poupée matriochka.
“Pour mieux comprendre notre monde matériel, nous devons faire des expériences, et pour améliorer les expériences, nous devons explorer de nouvelles approches de la façon dont nous faisons les choses”, a déclaré le professeur Kenji Fukushima. « Nous avons esquissé un moyen possible d’identifier le mécanisme responsable du confinement des quarks. Cela a été un problème de longue date en physique, et s’il se réalisait, cela pourrait révéler de profonds mystères sur la matière et la structure de l’univers.
La masse des quarks subatomiques est incroyablement petite : Combinés, les quarks d’un nucléon représentent moins de 2 % de la masse totale, et les gluons semblent être entièrement sans masse. Ainsi, les physiciens suggèrent que la majorité de la masse atomique provient en fait de la manière dont les quarks et les gluons sont liés, plutôt que des choses elles-mêmes. Ils sont liés par la soi-disant force forte, l’une des quatre forces fondamentales de la nature, y compris l’électromagnétisme et la gravité, et on pense que la force forte elle-même confère une masse à un nucléon. Cela fait partie d’une théorie connue sous le nom de chromodynamique quantique (QCD), où “chromo” vient du mot grec pour couleur, c’est pourquoi vous entendez parfois des quarks appelés rouges, verts ou bleus, malgré le fait qu’ils sont incolores .
“La preuve rigoureuse que la force forte engendre la masse reste hors de portée”, a déclaré Fukushima. « L’obstacle est que la QCD décrit les choses d’une manière qui rend les calculs théoriques difficiles. Notre réussite est de démontrer que la force forte, dans un ensemble particulier de circonstances, peut réaliser le confinement des quarks. Nous l’avons fait en interprétant certains paramètres observés des quarks comme une nouvelle variable que nous appelons la vitesse angulaire imaginaire. Bien que de nature purement mathématique, il peut être reconverti en valeurs réelles de choses que nous pouvons contrôler. Cela devrait conduire à un moyen de réaliser un état exotique de matière de quark en rotation rapide une fois que nous aurons appris à transformer notre idée en expérience.
###
Article de revue
Shi Chen, Kenji Fukushima et Yusuke Shimada, “Confinement perturbateur dans les théories thermiques de Yang-Mills induit par la vitesse angulaire imaginaire”, Lettres d’examen physique, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.242002,
DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.242002
Financement
Ce travail a été soutenu par la Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI Grant No. 21J20877 (SC), 19K21874 (KF), 22H01216 (KF).
Liens utiles
École supérieure des sciences – https://www.su-tokyo.ac.jp/en/
Département de physique – https://www.phys.su-tokyo.ac.jp/en/
À propos de l’Université de Tokyo
L’Université de Tokyo est la principale université du Japon et l’une des meilleures universités de recherche au monde. La vaste production de recherche de quelque 6 000 chercheurs est publiée dans les meilleures revues du monde dans les domaines des arts et des sciences. Notre corps étudiant dynamique d’environ 15 000 étudiants de premier cycle et 15 000 étudiants des cycles supérieurs comprend plus de 4 000 étudiants internationaux. Pour en savoir plus, rendez-vous sur www.u-tokyo.ac.jp/en/ ou suivez-nous sur Twitter à @UTokyo_News_en.
