Yurii Mongol
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La force nucléaire puissante est, comme vous l’auriez peut-être deviné, une force très puissante. Il est si puissant qu'il est capable de rassembler certaines des plus petites particules de l'univers pendant de très longues périodes, peut-être pour toujours. Les particules liées par la force forte forment les éléments constitutifs de notre monde quotidien: les protons et les neutrons. Mais si vous deviez ouvrir un proton ou un neutron, vous ne trouverez pas un arrangement simple et agréable de particules subatomiques. Au lieu de cela, vous verriez les entrailles dégoûtantes de peut-être l'une des forces les plus complexes de l'univers.
Les protons et les neutrons ne sont pas les seules choses que la force forte est capable de faire, mais nous ne comprenons pas vraiment les autres arrangements plus complexes et exotiques. De plus, même nos observations et nos expériences sont elles-mêmes très sommaires. Mais les physiciens travaillent d'arrache-pied pour essayer de rassembler des informations sur cette force fondamentale de la nature.
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Solide et complexe
Pour décrire la force forte, il vaut mieux la mettre en contraste avec son cousin beaucoup plus célèbre, la force électromagnétique. Avec la force électromagnétique, les choses sont simples, faciles et directes; à tel point que les scientifiques des années 1900 ont pu le comprendre pour la plupart. Avec la force électromagnétique, n'importe quelle particule peut rejoindre le groupe tant qu'elle possède une propriété appelée charge électrique. Si vous avez cette charge, vous ressentez et réagissez à la force électromagnétique. Et toutes sortes de particules de toutes rayures et saveurs portent une charge électrique, comme l'électron de votre jardin.
Une autre particule, la particule lumineuse (également connue sous le nom de photon), effectue le travail de transmission de la force électromagnétique d'une particule chargée à une autre. Le photon lui-même n'a pas sa propre charge électrique et est sans masse. Il voyage à la vitesse de la lumière, faisant des allers-retours à travers l'univers, faisant de l'électromagnétisme.
Charge électrique. Un seul porteur de la force électromagnétique. Simple, direct.
En revanche, il y a six particules qui sont soumises à la forte force nucléaire. En tant que groupe, ils sont connus sous le nom de quarks et ont des noms suffisamment originaux comme haut, bas, haut, bas, étrange et charme. Pour ressentir et répondre à la forte force nucléaire, ces quarks ont leur propre charge. Ce n'est pas une charge électrique (bien qu'ils aient également une charge électrique et ressentent également la force électromagnétique), mais pour diverses raisons qui rendent les choses vraiment déroutantes, les physiciens appellent cette charge spéciale associée à la forte force nucléaire la charge de couleur.
Les quarks peuvent avoir l'une des trois couleurs, appelées rouge, vert et bleu. Juste pour clarifier, ce ne sont pas des couleurs réelles, mais juste des étiquettes que nous donnons à cette étrange propriété semblable à une charge.
Ainsi, les quarks ressentent la force forte, mais elle est portée par toute une série d'autres particules - huit, pour être précis. On les appelle les gluons, et ils font un très bon travail de… attendez… collant des quarks ensemble. Les gluons ont également la capacité et le désir de porter leur propre charge de couleur. Et ils ont de la masse.
Six quarks, huit gluons. Les quarks peuvent changer leur charge de couleur, et les gluons aussi, car pourquoi pas.
Tout cela signifie que la force nucléaire forte est beaucoup plus complexe et complexe que son cousin électromagnétique.
Étrangement fort
D'accord, j'ai menti. Les physiciens n'ont pas seulement appelé cette propriété des quarks et des gluons «la charge de couleur» parce qu'ils en avaient envie, mais parce qu'elle sert d'analogie utile. Les gluons et les quarks peuvent se lier pour former des particules plus grosses tant que toutes les couleurs s'additionnent au blanc, tout comme la lumière rouge, bleue et verte s'ajoute à la lumière blanche… La combinaison la plus courante est de trois quarks, un de chaque rouge, vert, et bleu. Mais l'analogie devient un peu délicate ici, parce que chaque quark individuel peut avoir n'importe laquelle des couleurs qui lui est assignée à tout moment dans le temps; ce qui compte, c'est le nombre de quarks pour obtenir les bonnes combinaisons. Vous pouvez donc avoir des groupes de trois quarks pour fabriquer les protons et neutrons familiers. Vous pouvez également avoir une liaison de quark avec son anti-quark, où la couleur s'annule avec elle-même (comme dans, les paires de vert avec anti-vert, et non je ne fais pas cela au fur et à mesure), pour faire un sorte de particule connue sous le nom de méson.
Mais ça ne s'arrête pas là.
Théoriquement, toute combinaison de quarks et de gluons qui s'ajoutent au blanc est techniquement admissible dans la nature.
Par exemple, deux mésons - chacun avec deux quarks à l'intérieur - peuvent potentiellement se lier ensemble en quelque chose appelé un tétraquark. Et dans certains cas, vous pouvez ajouter un cinquième quark au mélange, en équilibrant toujours toutes les couleurs, appelé (vous l'avez deviné) un pentaquark.
Le tétraquark n'a même pas besoin d'être techniquement lié en une seule particule. Ils peuvent simplement exister à proximité les uns des autres, créant ce qu'on appelle une molécule hydronique.
Et comme c'est fou: les gluons eux-mêmes n'ont peut-être même pas besoin d'un quark pour former une particule. Il peut simplement y avoir une boule de gluons suspendue, relativement stable dans l'univers. On les appelle des boules de glu. La gamme de tous les états liés possibles permis par la force nucléaire forte s'appelle le spectre du quarkonium, et ce n'est pas un nom inventé par un auteur d'une émission de télévision de science-fiction. Il existe toutes sortes de combinaisons potentielles folles de quarks et de gluons qui pourraient bien exister.
Alors font-ils?
Arc-en-ciel Quark
Peut être.
Les physiciens mènent de fortes expériences sur la force nucléaire depuis plusieurs décennies maintenant, comme l'expérience Baber et quelques-unes au Grand collisionneur de hadrons, augmentant lentement au fil des ans jusqu'à des niveaux d'énergie plus élevés pour sonder de plus en plus profondément le spectre du quarkonium (et oui vous avez ma permission d'utiliser cette phrase dans n'importe quelle phrase ou conversation informelle que vous voulez, c'est génial). Dans ces expériences, les physiciens ont découvert de nombreuses collections exotiques de quarks et de gluons. Les expérimentateurs leur donnent des noms géniaux, comme χc2 (3930).
Ces particules potentielles exotiques n'existent que de manière éphémère, mais dans de nombreux cas, elles existent de manière concluante. Mais les physiciens ont du mal à relier ces particules produites brièvement à celles théoriques dont nous soupçonnons qu'elles devraient exister, comme les tétraquarks et les boules de colle..
Le problème avec l'établissement de la connexion est que le calcul est vraiment difficile. Contrairement à la force électromagnétique, il est très difficile de faire des prédictions solides impliquant une forte force nucléaire. Ce n'est pas seulement à cause des interactions complexes entre les quarks et les gluons. À des énergies très élevées, la force de la force nucléaire forte commence en fait à s'affaiblir, permettant aux calculs de se simplifier. Mais à des énergies plus basses, comme l'énergie nécessaire pour lier les quarks et les gluons pour former des particules stables, la force nucléaire forte est en fait très forte. Cette force accrue rend les calculs plus difficiles à comprendre.
Les physiciens théoriciens ont mis au point un tas de techniques pour s'attaquer à ce problème, mais les techniques elles-mêmes sont soit incomplètes, soit inefficaces. Bien que nous sachions que certains de ces états exotiques du spectre des quarkonium existent, il est très difficile de prévoir leurs propriétés et leurs signatures expérimentales..
Pourtant, les physiciens travaillent dur, comme ils le font toujours. Lentement, au fil du temps, nous construisons notre collection de particules exotiques produites dans les collisionneurs et faisons de meilleures prédictions sur ce à quoi devraient ressembler les états théoriques du quarkonium. Les matchs se rapprochent lentement, nous donnant une image plus complète de cette force étrange mais fondamentale dans notre univers.
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Votre place dans l'univers.
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