2024-05-27 21:00:00
Si des charges opposées s’attirent, mais que des charges semblables se repoussent… Comment les protons qui composent le noyau atomique peuvent-ils soyez ainsi ensemble et ne pas tirer à cause de la répulsion ?
Cette question a été plus que répétée au cours du premier tiers du XXe siècle. La communauté scientifique ne parvenait pas à comprendre ce qui se cachait derrière le fait que le noyau atomique n’avait pas explosé. Était-ce une force ? Un champ? Une particule qu’ils ne connaissaient pas encore ? La réponse à cette question fut donnée en 1930 par un physicien japonais nommé Hiseki Yukawa : la solution résidait dans le pions.
QUE SONT LES PIONS ?
Nous connaissons sous le nom de pions un type spécial de particule subatomique appelée méson. Pour mieux comprendre ce qu’ils sont et comment ils fonctionnent, nous devons considérer les pions comme de petits éléments constitutifs constitués de composants encore plus petits appelés quarks. Ce sont des particules très légères qui ont une masse d’environ 270 fois plus petit que celle d’un proton. De plus, ils sont très instables : leur demi-vie est seulement 26,033 nanosecondes, ce qui signifie qu’après ce court laps de temps, la plupart d’entre elles se seront désintégrées en d’autres particules. En fait, ce processus donnera généralement naissance à un muon – une autre particule subatomique – et à un neutrino muonique – une particule encore plus petite et plus difficile à détecter.
Une propriété très caractéristique de ces petites particules est leur spin. En termes simples, nous pouvons imaginer le spin comme une sorte de propriété quantique qui définit la rotation interne de la particule. Eh bien, les pions ont un zéro spinc’est-à-dire qu’ils ne présentent pas cette caractéristique de « rotation ».
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LA PARTICULE QUI REJOINT LE NOYAU
Cependant, c’est leur capacité à maintenir le noyau ensemble qui constitue la propriété la plus fascinante de ces particules. Dans ce contexte, on peut dire que le pion est une sorte de «médiateur” dans l’interaction nucléaire forte, c’est-à-dire dans l’une des quatre forces fondamentales de l’Univers, avec la gravité, les forces électromagnétiques et les forces faibles. Cette force est chargée de maintenir ensemble les protons et les neutrons dans le noyau atomique : sans la présence de pions, le noyau exploserait en raison de la force de répulsion qui existerait entre les protons.
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Un « quark up » et un « quark anti-down » forment un pion chargé positivement
Cependant, les pions agissent comme des « messagers », ce qui signifie que lorsqu’un proton et un neutron sont proches, ils peuvent échanger des pions, ce qui génère une force attractive très forte qui les maintient ensemble. La stabilité des noyaux atomiques devient ainsi un sujet vraiment intéressant : sans pions, la répulsion électromagnétique entre les protons – tous chargés positivement – provoquerait l’effondrement du noyau. désintégrer; mais grâce aux pions et à cette forte force nucléaire générée entre les protons et les neutrons par l’échange de pions, les noyaux peuvent rester stable et façonner la réalité qui nous entoure et nous-mêmes.
Et cela ne s’arrête pas là : les pions jouent également un rôle crucial dans la stabilité des neutrons eux-mêmes à l’intérieur du noyau. Et, isolés, les neutrons sont instables et se désintègrent en 15 minutes. Or, à l’intérieur du noyau, les neutrons sont beaucoup plus stable grâce à l’interaction constante avec les protons et autres neutrons médiés par les pions. En effet, l’attraction médiée par les pions parvient à maintenir les neutrons et les protons dans un état d’équilibre dynamique.
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L’AUBERGE”
La découverte de cette particule, le pion, a peut-être été l’un des moments qui ont le plus marqué la physique du XXe siècle. Dans les années 1930, la communauté scientifique s’efforçait d’expliquer ce qui parvenait à maintenir les protons et les neutrons ensemble dans le noyau atomique. Les forces connues, telles que les forces gravitationnelles ou électromagnétiques, Ils ne pouvaient pas expliquer cette cohésion, d’autant plus que les protons, qui ont une charge positive, devraient se repousser. C’est alors que le physicien japonais Hideki Yukawa propose une solution révolutionnaire : il suggère l’existence d’une nouvelle force agissant par l’intermédiaire d’une particule intermédiaire et unissant protons et neutrons. Yukawa a appelé sa petite supposition une « auberge ».
L’idée de Yukawa était basée sur un analogie avec la force magnétique. Nous savons que cela est médié par les photons, qui sont des particules sans masse ; Eh bien, le physicien a proposé que la forte interaction nucléaire soit également médiée de la même manière, mais par une particule ayant une masse. C’est précisément cette masse qui serait la raison pour laquelle la force nucléaire Il n’agirait qu’à très courte distancede l’ordre de la taille d’un noyau atomique.
Asahi Shinbun |
Hideki Yukawa interviewé après avoir remporté le prix Nobel pour la découverte du pion.
Cependant, la confirmation de cette théorie n’est venue que plus d’une décennie après sa prédiction. En 1947, les scientifiques Cecil Powell, Giuseppe Occhialini et César Lattes, avec d’autres collègues, ont réalisé une expérience clé dans les montagnes Chacaltaya, en Bolivie. Ils ont utilisé plaques d’émulsion photographique pour les exposer aux rayons cosmiques – des particules à haute énergie provenant de l’espace. En analysant les plaques, les scientifiques ont observé des traces d’une particule correspondant aux caractéristiques du méson prédit par Yukawa : il s’agissait du pion.
AU-DELÀ DU MODÈLE STANDARD
“L’une des choses qui rend la découverte du pion encore plus fascinante est son origine.”naturel”. Les pions détectés à Chacaltaya ont été produits par la collision de rayons cosmiques avec l’atmosphère terrestre, ce qui montre que ces particules existent non seulement dans les laboratoires, mais font également partie de l’Univers naturel. Plus récemment, des traces de pions ont même été observées dans le explosions de supernovace qui souligne sa présence dans des événements astrophysiques extrêmes.
Pour sa contribution, Hideki Yukawa a reçu le Prix Nobel de physique en 1949, devenant ainsi le premier Japonais à recevoir cette reconnaissance dans n’importe quel domaine scientifique. La découverte du pion a non seulement confirmé une théorie, mais a établi un nouveau paradigme en physique nucléaire : elle a ouvert la voie au développement de Modèle standard, la théorie qui décrit les particules fondamentales et leurs interactions. Bien que nous sachions désormais que les gluons assurent l’interaction forte au niveau des quarks, les pions restent essentiels à la compréhension des forces nucléaires résiduelles qui maintiennent les noyaux ensemble.
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