Que se passe-t-il dans un proton? Quark Math a encore besoin de réponses

Les objets sont constitués d’atomes, et les atomes sont également la somme de leurs parties – électrons, protons et neutrons. Plongez dans l’un de ces protons ou neutrons, cependant, et les choses deviennent étranges. Trois particules appelées quarks ricochent d’avant en arrière à presque la vitesse de la lumière, cassées en arrière par des chaînes de particules interconnectées appelées gluons. Bizarrement, la masse du proton doit en quelque sorte provenir de l’énergie des cordes de gluon extensibles, car les quarks pèsent très peu et les gluons ne sont rien du tout.

Histoire originale réimprimée avec la permission de Magazine Quanta, une publication indépendante de la rédaction de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension du public des sciences en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et en sciences physiques et de la vie.

Les physiciens ont découvert cette image étrange de quark-gluon dans les années 1960 et l’ont associée à une équation dans les années 70, créant la théorie de la chromodynamique quantique (QCD). Le problème est que, si la théorie semble exacte, elle est extraordinairement compliquée mathématiquement. Confronté à une tâche telle que le calcul de la façon dont trois quarks vaporeux produisent le proton imposant, QCD ne parvient tout simplement pas à produire une réponse significative.

« C’est alléchant et frustrant », a déclaré Mark Lancaster, un physicien des particules basé à l’Université de Manchester au Royaume-Uni. « Nous savons absolument que les quarks et les gluons interagissent entre eux, mais nous ne pouvons pas calculer » le résultat.

Un prix en mathématiques d’un million de dollars attend quiconque peut résoudre le type d’équation utilisé dans QCD pour montrer comment se forment des entités massives comme les protons. Faute d’une telle solution, les physiciens des particules ont développé des solutions de contournement difficiles qui fournissent des réponses approximatives. Certains infèrent l’activité des quarks expérimentalement sur des collisionneurs de particules, tandis que d’autres exploitent les supercalculateurs les plus puissants du monde. Mais ces techniques d’approximation sont récemment entrées en conflit, laissant les physiciens incertains de ce que leur théorie prédit et donc moins capables d’interpréter les signes de particules ou d’effets nouveaux et imprévus.

Pour comprendre ce qui fait des quarks et des gluons de tels escrocs mathématiques, réfléchissez à la quantité de machinerie mathématique utilisée pour décrire même des particules qui se comportent bien.

Un humble électron, par exemple, peut brièvement émettre puis absorber un photon. Pendant la courte durée de vie de ce photon, il peut se diviser en une paire de particules matière-antimatière, dont chacune peut s’engager dans d’autres acrobaties, à l’infini. Tant que chaque événement individuel se termine rapidement, la mécanique quantique permet à la vague combinée d’activités «virtuelles» de se poursuivre indéfiniment.

Dans les années 40, après une lutte considérable, les physiciens ont développé des règles mathématiques qui pouvaient s’adapter à cette caractéristique bizarre de la nature. L’étude d’un électron impliquait de décomposer son entourage virtuel en une série d’événements possibles, chacun correspondant à un dessin ondulé connu sous le nom de diagramme de Feynman et à une équation correspondante. Une analyse parfaite de l’électron nécessiterait une chaîne infinie de diagrammes – et un calcul avec une infinité d’étapes – mais heureusement pour les physiciens, les esquisses plus byzantines d’événements plus rares ont fini par être relativement sans conséquence. Tronquer la série donne des réponses suffisantes.

La découverte des quarks dans les années 1960 a tout cassé. En plaçant des protons avec des électrons, les chercheurs ont découvert les parties internes du proton, liées par une nouvelle force. Les physiciens ont couru pour trouver une description qui pourrait gérer ces nouveaux blocs de construction, et ils ont réussi à envelopper tous les détails des quarks et la «force forte» qui les lie dans une équation compacte en 1973. Mais leur théorie de la force forte, la chromodynamique quantique , ne s’est pas comporté de la manière habituelle, pas plus que les particules.

Les diagrammes de Feynman traitent les particules comme si elles interagissaient en se rapprochant à distance, comme des boules de billard. Mais les quarks n’agissent pas comme ça. Le diagramme de Feynman représentant trois quarks se réunissant à distance et se liant les uns aux autres pour former un proton n’est qu’un simple «dessin animé», selon Flip Tanedo, physicien des particules à l’Université de Californie à Riverside, car les quarks sont liés si fortement que ils n’ont pas d’existence séparée. La force de leur connexion signifie également que la série infinie de termes correspondant aux diagrammes de Feynman croît de manière indisciplinée, plutôt que de disparaître assez rapidement pour permettre une approximation facile. Les diagrammes de Feynman ne sont tout simplement pas le bon outil.

La force forte est bizarre pour deux raisons principales. Premièrement, alors que la force électromagnétique n’implique qu’une seule variété de charge (charge électrique), la force forte en implique trois: des charges de «couleur» surnommées rouge, vert et bleu. Plus étrange encore, le porteur de la force forte, surnommé le gluon, porte lui-même une charge de couleur. Ainsi, alors que les photons (électriquement neutres) qui composent les champs électromagnétiques n’interagissent pas entre eux, des collections de gluons colorés se rassemblent en chaînes. « Cela conduit vraiment les différences que nous voyons », a déclaré Lancaster. La capacité des gluons à trébucher sur eux-mêmes, ainsi que les trois charges, rendent la force forte forte – si forte que les quarks ne peuvent pas s’échapper les uns des autres.

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Written by Naruto Uzumaki

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