Le noyau atomique est un endroit inhabituel. On sait qu’il contient des protons et des neutrons. Ces particules, ou
Les mystères de l'interaction forte, quidétermine le mouvement de ces particules, obligent les scientifiques à chercher de nouvelles façons de regarder à l'intérieur de l'atome pour comprendre ce qui s'y passe. Les physiciens ont mis au point une nouvelle méthode qui utilise des atomes miroirs et ont découvert que les protons entrent en collision avec les autres protons, et les neutrons avec les autres neutrons, plus souvent que prévu.
Qu'est-ce qu'une interaction forte ?
La force nucléaire forte est l'une desinteractions fondamentales avec la gravité, l'électromagnétisme et l'interaction faible. Il est mieux étudié au niveau quantique. L'interaction entre les quarks (particules élémentaires qui composent la matière) et les gluons (porteurs sans masse de l'interaction forte) est décrite par la chromodynamique quantique.
Les scientifiques pensent que chaque quark estporteur d’une charge quantique spécifique. C'est ce qu'on appelle la couleur, bien qu'il s'agisse d'un terme conventionnel qui n'a rien à voir avec les propriétés optiques. De plus, il possède un vecteur d'état défini dans un espace colorimétrique 3D complexe.
L'interaction forte est un processus dans lequelles quarks échangent la charge (couleur) portée par le gluon. Contrairement au photon en interaction électromagnétique, qui est unique et n'a pas de charge propre, chaque gluon porte une couleur spécifique. Les chercheurs identifient huit types de ces particules avec des charges différentes.
Schéma d'interaction forte. Image : Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Comme son nom l’indique, la force forte estle plus puissant, mais il n'agit qu'à de courtes distances, comparables à la taille d'un noyau atomique et inférieures. Une caractéristique étonnante de cette interaction est que plus la distance entre les quarks augmente, plus elle augmente, et plus elle diminue, plus elle s'affaiblit.
Cet effet provoque le confinement - le verrouillage des quarks à l'intérieur des hadrons (particules composées). Par conséquent, un quark ne peut pas exister dans l'espace libre, mais seulement en tant que partie de particules plus complexes.
La perturbation de l'interaction entre deux quarks sous l'action de l'énergie conduit à la naissance d'un nouveau couple quark et antiquark. Animation : Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Bien que la force forte soit la théorie la plus développée en physique des particules, les interactions des particules composées telles que les hadrons et les nucléons (protons et neutrons) sont très difficiles à calculer.
Comment mesure-t-on l'interaction des nucléons ?
Modèle conditionnel d'un atome (à gauche) et d'hélium-4 (à droite). La couleur grise représente le nuage d'électrons, l'image agrandie montre le noyau. Image de droite : Utilisateur : Yzmo, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Les noyaux atomiques sont souvent représentés comme densesdes amas de protons et de neutrons collés ensemble, mais en fait ces nucléons tournent constamment les uns autour des autres. En même temps, ils se heurtent et se dispersent à nouveau, mais sur la "bande élastique" de l'interaction forte, ils reviennent. Dans la plupart des noyaux, les scientifiques estiment que les nucléons passent environ 20 % de leur vie dans des états excités à impulsion élevée causés par ces collisions.
L'interprétation correcte de l'ensemble desles expériences, telles que celles menées au Large Hadron Collider et à d'autres accélérateurs de particules, dépendent de la capacité des scientifiques à comprendre ces collisions.
Pour les étudier, les physiciens travaillent surnoyaux atomiques avec des faisceaux d'électrons de haute énergie. Si vous mesurez avec quelle énergie et dans quelle direction un électron a commencé à se déplacer lorsqu'il est entré en collision avec un proton chargé positivement d'un noyau atomique, vous pouvez déterminer à quelle vitesse il s'est déplacé.
De plus, un électron hautement chargé possèdeun élan suffisant pour rompre la forte interaction et faire sortir le proton « excité » du noyau atomique. En train de rompre la connexion, dans un certain nombre de cas, son « partenaire » est jeté après lui - la particule avec laquelle il a rencontré la dernière fois et est lié par une forte interaction.
Dans les expériences classiques, les physiciens utilisentcompter ces paires "éjectées" de deux protons, ou un proton et un neutron, pour déterminer comment les nucléons interagissent dans les atomes du noyau. Des expériences dans lesquelles des noyaux de divers atomes allant du carbone avec 12 nucléons au plomb avec 208 ont été irradiés avec des électrons ont montré à peu près la même distribution : près de 95 % de toutes les collisions se produisent dans des paires proton-neutron et 5 % se produisent dans l'interaction entre des nucléons identiques.
L'inconvénient de cette méthode est qu'une telleles collisions exactes dans lesquelles les deux particules sont émises par le noyau sont assez rares, et d'autres facteurs peuvent affecter les particules dans les atomes. Par conséquent, les mesures contiennent peu de données et les résultats ont une erreur élevée.
Qu'a montré l'expérience avec les noyaux miroirs ?
Pour contourner cette limitation, les scientifiques ont imaginénouvelle méthode. Ils décidèrent d’irradier des noyaux atomiques « miroirs ». Un atome d'hélium-3 (un isotope stable de l'hélium) possède le même nombre de nucléons que le tritium (un isotope de l'hydrogène). Mais si dans le premier cas le noyau est constitué de deux protons et d'un neutron, alors dans le second cas, tout est exactement le contraire.
Les scientifiques ont réalisé que si chacun de ces élémentsatomes, la différence entre les ensembles de nucléons aidera à déterminer plus précisément comment les protons et les neutrons des noyaux atomiques interagissent les uns avec les autres. Dans la nouvelle expérience, il a été possible de collecter beaucoup plus de données que dans les précédentes, car l'analyse ne nécessitait pas de rares événements de triple coïncidence, lorsque les deux particules excitées sortaient du noyau ; même une seule suffisait.
Les chercheurs rapportent que la nouvelle méthode a augmentéprécision de mesure 10 fois. Cependant, ils ne s'attendaient pas à ce que les interactions des nucléons dans les atomes simples soient très différentes des interactions complexes testées dans les expériences précédentes.
Dans un article récemment publié dans la revueDans la nature, les physiciens rapportent que la proportion d'interactions entre particules identiques (collisions proton-proton et neutron-neutron) s'est avérée beaucoup plus élevée : elle est d'environ 20 %.
Nous voulions prendre des mesures beaucoup plus précises, mais nous ne nous attendions pas à ce qu'elles soient très différentes.
John Arrington, chercheur au Berkeley Lab et co-auteur d'un nouvel article
Et ensuite?
Les chercheurs pensent que la différence del'interaction des particules s'explique précisément par la taille des noyaux. Les principaux processus de diffusion - changements dans la direction du mouvement des particules lorsqu'elles entrent en collision avec d'autres - se produisent avec des paires de protons et de neutrons, a déclaré Arrington. Mais lors de l'irradiation, il existe d'autres causes qui peuvent provoquer la diffusion et affecter tous les types de nucléons.
Par exemple, ils peuvent dépendre de la distance entreparticules plus grosses dans les noyaux légers que dans les noyaux lourds. Pour confirmer cette hypothèse ou trouver une explication alternative, les scientifiques envisagent de mener des expériences similaires avec d'autres atomes légers.
Comprendre les principes responsables de l'interactionparticules composites présente un intérêt non seulement théorique mais aussi pratique. Ces détails sont importants pour l'analyse des données dans les expériences à haute énergie sur les quarks, les gluons et d'autres particules élémentaires telles que les neutrinos. De plus, ce sont ces processus qui expliquent l'interaction des nucléons qui forment les étoiles à neutrons.
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