les champs associés. Crédit image : Brookhaven National Laboratory.
Si vous deviez diviser les particules qui composent votre corps en morceaux de plus en plus petits, vous constateriez qu’à chaque étape du parcours – au moins en termes de masse – le tout est égal à la somme de ses parties. Si vous décomposez votre corps en os, en graisse et en organes, vous obtenez un être humain entier. Si vous les décomposez davantage, en cellules, les cellules représentent toujours la même masse que vous. Les cellules peuvent être divisées en organites, les organites en molécules individuelles, les molécules en atomes, et les atomes en protons, neutrons et électrons. À ce niveau, il existe une différence minuscule mais notable : les protons, neutrons et électrons individuels sont inférieurs d’environ 1 % à ceux d’un humain, grâce à l’énergie de liaison nucléaire.
environ 0,8 % inférieur aux protons et neutrons individuels qui le composent, grâce à l’énergie de liaison nucléaire. Crédit image : Delia Walsh de http://slideplayer.com/slide/6002405/.
Un atome de carbone, composé de six protons et six neutrons, est environ 0,8% plus léger que les particules individuelles qui le composent. La façon dont le carbone est formé est par la fusion nucléaire de l’hydrogène en hélium, puis de l’hélium en carbone ; l’énergie libérée est ce qui alimente la plupart des types d’étoiles dans leurs phases normales et géantes rouges, et la « masse perdue » est l’origine de cette énergie, grâce à E = mc2 d’Einstein. C’est ainsi que la plupart des types d’énergie de liaison fonctionnent : la raison pour laquelle il est plus difficile de séparer plusieurs choses qui sont liées ensemble est qu’elles ont libéré de l’énergie lorsqu’elles ont été jointes, et vous devez mettre de l’énergie pour les libérer à nouveau.
C’est pourquoi c’est un fait si déroutant que lorsque vous jetez un coup d’œil aux particules qui composent le proton – les trois différents quarks qui en sont le cœur – leurs masses combinées ne représentent que 0,2% de la masse du proton dans son ensemble.
(en MeV) en haut à droite. Un proton, composé de deux quarks up et d’un quark down, a une masse de ~938 MeV/c^2. Crédit image : Wikimedia Commons utilisateur MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, sous une licence c.c.a.-3.0 unported.
La façon dont les quarks se lient aux protons est fondamentalement différente de toutes les autres forces et interactions que nous connaissons. Au lieu que la force devienne plus forte lorsque les objets se rapprochent – comme les forces gravitationnelle, électrique ou magnétique – la force d’attraction descend à zéro lorsque les quarks se rapprochent arbitrairement. Et au lieu que la force s’affaiblisse lorsque les objets s’éloignent, la force qui ramène les quarks ensemble devient plus forte à mesure qu’ils s’éloignent.
Cette propriété de la force nucléaire forte est connue sous le nom de liberté asymptotique, et les particules qui servent de médiateur à cette force sont connues sous le nom de gluons. D’une manière ou d’une autre, l’énergie qui lie le proton, les autres 99,8% de la masse du proton, provient de ces gluons.
Connectée par des gluons (à ressort), la structure du proton est beaucoup plus compliquée, avec des quarks et des gluons supplémentaires (mer) peuplant l’intérieur du proton. Crédit image : le synchrotron électronique allemand (DES), et les collaborations HERA et ZEUS.
En raison du fonctionnement de la force nucléaire forte, il existe de grandes incertitudes quant à l’emplacement réel de ces gluons à tout moment. Nous disposons actuellement d’un modèle solide de la densité moyenne des gluons à l’intérieur d’un proton, mais si nous voulons savoir où les gluons sont réellement plus susceptibles d’être localisés, cela nécessite davantage de données expérimentales, ainsi que de meilleurs modèles auxquels comparer les données. Les récentes avancées des théoriciens Björn Schenke et Heikki Mäntysaari pourraient permettre de fournir ces modèles tant attendus. Comme l’a détaillé Mäntysaari :
On connaît très précisément l’importance de la densité moyenne de gluons à l’intérieur d’un proton. Ce qui n’est pas connu, c’est l’endroit exact où les gluons sont situés à l’intérieur du proton. Nous modélisons les gluons comme étant situés autour des trois quarks. Nous contrôlons ensuite la quantité de fluctuations représentées dans le modèle en définissant la taille des nuages de gluons et la distance qui les sépare les uns des autres.
gluons et spin du quark représentés. Crédit d’image : Brookhaven National Laboratory.
Lorsque vous faites entrer en collision deux particules comme des protons, un proton et un ion lourd, ou deux ions lourds ensemble, vous ne pouvez pas simplement les modéliser comme des collisions proton-proton. Au lieu de cela, vous voyez une distribution de trois types de collisions : collisions quark-quark, collisions quark-gluon ou collisions gluon-gluon. Ce sont les composants de ces particules subatomiques qui entrent en collision, plutôt que les structures entières (les protons) elles-mêmes. Alors qu’à des énergies plus faibles, ce sont presque toujours des quarks qui entrent en collision, les énergies plus élevées atteintes par le RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) à Brookhaven et par le LHC au CERN présentent une très forte probabilité d’interactions gluon-gluon, avec la possibilité de révéler l’emplacement des gluons à l’intérieur du proton lui-même. Comme le poursuit Mäntysaari :
Ce processus ne se produit pas du tout si le proton a toujours le même aspect. Plus nous avons de fluctuations, plus ce processus est susceptible de se produire.
d’un proton, y compris la façon dont les quarks et les gluons de la « mer » sont distribués, a été réalisé à la fois par des améliorations expérimentales et de nouveaux développements théoriques en tandem. Crédit image : Brookhaven National Laboratory.
La combinaison de ce nouveau modèle théorique et des données du LHC, qui ne cessent de s’améliorer, permettra aux scientifiques de mieux comprendre la structure interne et fondamentale des protons, des neutrons et des noyaux en général, et donc de comprendre d’où vient la masse des objets connus dans l’Univers. Le plus grand avantage pour ce type de recherche serait toutefois le développement d’un collisionneur électron-ion (EIC), un collisionneur proposé par de nombreuses collaborations à travers le monde. Contrairement au RHIC ou au LHC, qui font entrer en collision des protons avec des ions – ce qui donne un signal final très désordonné – un EIC serait beaucoup plus contrôlé, car il n’y a pas de mouvements internes incontrôlables à l’intérieur d’un électron pour confondre les résultats expérimentaux.
collisionneur (EIC). L’ajout d’un anneau électronique (rouge) au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) de Brookhaven créerait le eRHIC. Crédit d’image : Groupe eRHIC du Brookhaven National Laboratory-CAD.
Si vous voulez étudier la structure interne d’un proton ou d’une collection de noyaux, la diffusion inélastique profonde est la seule voie possible. Si l’on considère que les collisionneurs ont commencé ce voyage il y a moins d’un siècle, et que nous atteignons aujourd’hui des énergies environ un facteur de 10 000 supérieures à celles de nos débuts, sonder et comprendre exactement comment la matière obtient sa masse pourrait enfin être à notre portée. Le plasma quark-gluon à l’intérieur du noyau, et les fluctuations qui l’accompagnent, sont peut-être enfin prêts à nous révéler leurs secrets. Et lorsqu’il le fera, l’un des plus vieux mystères de la physique, celui de savoir d’où vient la masse de la matière connue (toujours un mystère même après la découverte du Higgs), pourrait enfin céder à l’humanité.
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