La force nucléaire forte est, comme vous l’avez peut-être deviné, une force très forte en effet. Elle est si puissante qu’elle est capable de rassembler certaines des plus petites particules de l’univers pendant de très longues périodes, voire 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 trouveriez pas un arrangement simple et agréable de particules subatomiques. Au lieu de cela, vous verriez les entrailles dégoûtantes de 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. Qui plus est, 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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Forte et complexe
Pour décrire la force forte, il est préférable de la mettre en contraste avec sa cousine 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 pour la plupart la comprendre. Avec la force électromagnétique, n’importe quelle particule peut se joindre à la fête tant qu’elle possède une propriété appelée charge électrique. Si vous avez cette charge, alors vous pouvez ressentir et répondre à la force électromagnétique. Et toutes sortes de particules de toutes sortes de rayures et de saveurs portent une charge électrique, comme votre variété d’électron de jardin.
Une autre particule, la particule de lumière (également connue sous le nom de photon), fait le travail de transmission de la force électromagnétique d’une particule chargée à une autre. Le photon lui-même n’a pas de charge électrique propre, et est sans masse. Il voyage à la vitesse de la lumière, faisant des allers-retours à travers l’univers, permettant à l’électromagnétisme de se produire.
Charge électrique. Un seul porteur de la force électromagnétique. Simple, direct.
En revanche, il y a six particules qui sont soumises à la force nucléaire forte. En tant que groupe, elles sont connues sous le nom de quarks et portent des noms suffisamment excentriques comme up, down, top, bottom, strange et charm. Pour ressentir et répondre à la force nucléaire forte, ces quarks ont une charge qui leur est propre. Ce n’est pas une charge électrique (bien qu’ils aient aussi une charge électrique et ressentent également la force électromagnétique), mais pour diverses raisons qui rendent les choses vraiment confuses, les physiciens appellent cette charge spéciale associée à la force nucléaire forte la charge de couleur.
Les quarks peuvent avoir l’une des trois couleurs, appelées rouge, vert et bleu. Pour clarifier, ce ne sont pas des couleurs réelles, mais juste des étiquettes que nous donnons à cette propriété étrange, semblable à une charge.
Donc, 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 pour… attendez de voir… coller les quarks ensemble. Il se trouve que les gluons ont également la capacité et le désir de porter leur propre charge de couleur. Et ils ont une masse.
Six quarks, huit gluons. Les quarks peuvent changer leur charge de couleur, et les gluons aussi, parce que pourquoi pas.
Tout cela signifie que la force nucléaire forte est beaucoup plus complexe et intriquée que sa cousine électromagnétique.
La force étrangement forte
Ok, j’ai menti. Les physiciens n’ont pas simplement appelé cette propriété des quarks et des gluons « la charge de couleur » parce qu’ils en avaient envie, mais parce que cela sert d’analogie utile. Les gluons et les quarks peuvent se lier entre eux pour former des particules plus grosses, à condition que toutes les couleurs s’additionnent pour donner du blanc, tout comme la lumière rouge, bleue et verte s’additionne pour donner de la lumière blanche . La combinaison la plus courante est celle de trois quarks, un pour le rouge, un pour le vert et un pour le bleu. Mais l’analogie se complique un peu ici, car chaque quark individuel peut se voir attribuer n’importe quelle couleur à tout moment ; ce qui compte, c’est le nombre de quarks pour obtenir les bonnes combinaisons. Ce qui compte, c’est le nombre de quarks pour obtenir les bonnes combinaisons. Ainsi, vous pouvez avoir des groupes de trois quarks pour former les protons et les neutrons bien connus. Vous pouvez également avoir un quark qui se lie avec son anti-quark, où la couleur s’annule avec elle-même (comme dans, le vert se couple avec l’anti-vert, et non je n’invente pas au fur et à mesure), pour faire une sorte de particule connue comme un méson.
Mais cela ne s’arrête pas là.
Théoriquement, n’importe quelle combinaison de quarks et de gluons qui s’ajoutent au blanc sont techniquement admissibles dans la nature.
Par exemple, deux mésons – chacun avec deux quarks à l’intérieur – peuvent potentiellement se lier ensemble dans quelque chose appelé un tétraquark. Et dans certains cas, vous pouvez ajouter un cinquième quark au mélange, tout en équilibrant toutes les couleurs, appelé (vous l’avez deviné) un pentaquark.
Le tétraquark n’a même pas besoin d’être techniquement lié dans une seule particule. Ils peuvent simplement exister à proximité les uns des autres, formant ce que l’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 qui traîne, relativement stable dans l’univers. On les appelle des boules de gluons. La gamme de tous les états liés possibles autorisés par la force nucléaire forte s’appelle le spectre du quarkonium, et ce n’est pas un nom inventé par un scénariste de série TV de science-fiction. Il y a toutes sortes de combinaisons potentielles folles de quarks et de gluons qui pourraient tout simplement exister.
Et alors ?
Quark Rainbow
Peut-être.
Les physiciens ont mené des expériences sur la force nucléaire forte depuis plusieurs décennies maintenant, comme l’expérience de Baber et quelques-unes au Large Hadron Collider, lentement au fil des ans, en passant 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 occasionnelle que vous voulez, c’est tellement génial). Au cours de ces expériences, les physiciens ont découvert de nombreuses collections exotiques de quarks et de gluons. Les expérimentateurs leur donnent des noms funky, comme χc2(3930).
Ces particules potentielles exotiques n’existent que de manière fugace, mais existent dans de nombreux cas de manière concluante. Mais les physiciens ont du mal à relier ces particules produites brièvement aux particules théoriques dont nous soupçonnons l’existence, comme les tétraquarks et les boules de glu.
Le problème pour faire le lien est que les mathématiques sont vraiment difficiles. Contrairement à la force électromagnétique, il est très difficile de faire des prédictions solides impliquant la force nucléaire forte. Ce n’est pas seulement à cause des interactions compliquées entre les quarks et les gluons. À très haute énergie, la force nucléaire forte commence à s’affaiblir, ce qui permet de simplifier les calculs. Mais à des énergies plus faibles, comme l’énergie nécessaire pour lier les quarks et les gluons afin de créer des particules stables, la force nucléaire forte est en fait très forte. Cette force accrue rend les mathématiques plus difficiles à comprendre.
Les physiciens théoriques 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 du quarkonium existent, il est très difficile de prédire leurs propriétés et leurs signatures expérimentales.
Pour autant, les physiciens travaillent dur, comme ils le font toujours. Lentement, au fil du temps, nous constituons notre collection de particules exotiques produites dans les collisionneurs, et faisons des prédictions de plus en plus précises sur ce à quoi devraient ressembler les états théoriques du quarkonium. Les correspondances s’assemblent lentement, nous donnant une image plus complète de cette force étrange mais fondamentale dans notre univers.
Paul M. Sutter est astrophysicien à l’Université d’État de l’Ohio, hôte de Ask a Spaceman et de Space Radio, et auteur de Your Place in the Universe.
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