Les physiciens découvrent un monde quantique caché à l’intérieur du proton – et il est plus étrange que nous le pensions

(Image : Collision inélastique profonde entre un électron relativiste et un proton. Lors d’une collision inélastique profonde avec un proton, un électron relativiste (en bleu) peut émettre un photon de haute énergie (en violet ici) qui pénètre à l’intérieur du proton, où il ne " voit " qu’une fraction des quarks, gluons et particules virtuelles enchevêtrés. Le proton excité se désintègre ensuite en cascades de particules secondaires.)

Les protons sont loin d’être des particules simples – ce sont des chaudrons bouillonnants de quarks, de gluons et d’intrication quantique.

Les scientifiques ont utilisé cette intrication pour développer un modèle universel expliquant comment les particules émergent des collisions à haute énergie. Leurs prédictions correspondent aux données expérimentales passées, et les futurs collisionneurs mettront leur théorie à l’épreuve ultime, remodelant potentiellement notre compréhension de la physique nucléaire.

Regarder à l’intérieur du proton

L’intérieur d’un proton est l’un des domaines les plus dynamiques mais aussi les plus insaisissables de la physique. Dans cette minuscule particule, les quarks et les gluons interagissent dans une mer en perpétuel changement de particules virtuelles. Aujourd’hui, en utilisant la théorie de l’information quantique et le concept d’intrication quantique, les scientifiques ont développé un nouveau cadre pour décrire ces interactions avec une clarté sans précédent.

Pour la première fois, cette approche explique avec succès les données de toutes les expériences disponibles impliquant la diffusion de particules secondaires lors de collisions inélastiques profondes entre électrons et protons. Cette percée est le fruit d’une équipe internationale de théoriciens du Brookhaven National Laboratory (BNL) et de l’Université de Stony Brook (SBU) à New York, de l’Universidad de las Américas Puebla (UDLAP) au Mexique et de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie.

Comment étudions-nous l’intérieur du proton ?

" Si nous voulons comprendre les phénomènes qui se produisent à l’intérieur d’un proton, nous devons d’abord y accéder d’une manière ou d’une autre. Actuellement, les collisions entre protons et électrons sont la meilleure façon de le faire, car ces derniers sont non seulement beaucoup plus petits que les protons, mais surtout, ce sont des particules élémentaires, ce qui nous garantit qu’ils ne se désintégreront pas en autre chose ", explique le professeur Krzysztof Kutak (IFJ PAN), l’un des auteurs de l’article publié dans Reports on Progress in Physics.

Une mer de quarks et de gluons

Le proton n’est pas une particule élémentaire. Dans les termes les plus simples, on suppose qu’il est constitué de trois quarks de valence (deux quarks up et un quark down) " collés " par des gluons, c’est-à-dire des particules porteuses de l’interaction forte. Ces interactions sont si puissantes qu’à l’intérieur du proton, des paires de quarks virtuels et d’anti-quarks (même aussi massifs que le quark charm) et des paires de gluons virtuels (ce qui est possible car ces particules sont leurs propres antiparticules) apparaissent et disparaissent constamment.

L’intrication quantique dans le proton

Dans la recherche décrite ici, l’hypothèse clé était que, malgré la taille extrêmement réduite du proton, les quarks et les gluons qui le composent – collectivement appelés partons – sont intriqués quantiquement. On parle d’intrication entre objets quantiques lorsque les valeurs d’une propriété d’un objet réagissent aux changements de cette propriété dans un autre objet, même si l’information sur ce changement n’a pas eu le temps d’être transmise entre eux par un quelconque support se déplaçant dans l’espace.

" Dans le cas de l’intérieur du proton, l’intrication se produit à des distances difficiles à imaginer, de l’ordre d’un quadrillionième de mètre ou moins, et c’est une propriété collective. Comme nous l’avons montré dans nos publications précédentes, elle affecte non pas quelques partons, mais tous les partons du proton ", explique le professeur Martin Hentschinski (UDLAP).

Le rôle des collisions à haute énergie

Lorsque, dans une tentative d’explorer l’intérieur maximalement intriqué d’un proton, un électron le frappe, une interaction électromagnétique se produit entre les deux particules, dont le vecteur est un photon. Dans les collisions inélastiques profondes, l’énergie du photon échangé est si élevée que l’onde électromagnétique associée commence à " s’insérer " à l’intérieur du proton et à " voir " les détails de sa structure interne.

À la suite de l’interaction avec le photon, le proton peut ensuite se désintégrer en produisant de nombreuses particules secondaires. L’intrication se manifestera ici par le fait que le nombre de particules secondaires émises par la partie du proton " vue " par le photon déterminera le nombre de particules produites sous forme de hadrons observés.

Mesurer l’intrication avec l’entropie

" C’est ainsi que nous arrivons au concept d’entropie, qui est particulièrement important dans l’étude des systèmes hautement complexes et en information quantique. Si, grâce aux collisions inélastiques profondes, nous avions accès à l’intégralité de l’information sur l’intrication dans le proton, nous pourrions parler d’une entropie d’intrication nulle."

Cependant, un photon pénétrant à l’intérieur d’un proton ne " voit " qu’une partie de l’intérieur du proton, le reste lui reste caché – ce qui signifie que l’entropie d’intrication est non nulle. Nous avons donc une mesure pratique de la quantité d’intrication dans le proton », explique le professeur Dmitri Kharzeev (SBU, BNL).

Confirmation expérimentale et analyse des données

Dans l’article en question, l’équipe internationale de physiciens a prouvé que, sur la base de l’entropie d’intrication, il est possible de prédire l’entropie des hadrons produits lors d’une collision électron-proton. En conséquence, l’intrication maximale des quarks et des gluons dans un proton se manifeste par l’impossibilité de déterminer combien de particules seront produites lors d’une collision particulière. Ces prédictions ont maintenant été vérifiées pour toutes les variantes des mesures effectuées en 2006-2007 dans l’expérience H1 au collisionneur de particules HERA du centre DESY à Hambourg, où des protons uniques entraient en collision avec des positrons, les antiparticules des électrons.

" Nous travaillons sur l’intrication à l’intérieur du proton depuis plusieurs années. Alors que nous avons vérifié nos travaux théoriques précédents en les confrontant aux mesures de sessions spécifiques, nous avons maintenant réussi à décrire toutes les données expérimentales d’entropie de diffusion inélastique profonde dans un formalisme universel unique ", souligne le Dr. Zhoudunming Tu (BNL).

Les futurs collisionneurs et les nouvelles découvertes

L’équipe de physiciens impliquée dans le projet anticipe que c’est le formalisme généralisé qui permettra une interprétation plus facile et plus précise des mesures des futurs collisionneurs, comme le Collisionneur Électron-Ion (EIC), qui sera lancé au laboratoire de Brookhaven au début de la prochaine décennie. Là, les électrons entreront en collision non seulement avec des protons individuels, mais aussi avec des ions. Combinée à de nouvelles données expérimentales, l’approche théorique proposée devrait alors aider à résoudre des problèmes importants de la physique nucléaire moderne.

Une nouvelle voie en physique nucléaire

" Aujourd’hui, nous avons une forte indication que notre nouveau formalisme prenant en compte l’entropie d’intrication n’est pas corrélé au hasard avec une méthode particulière de mesure des phénomènes nucléaires, mais qu’il a une réelle capacité à expliquer la nature des événements observés. Nous sommes convaincus qu’en étudiant l’entropie d’intrication, nous pourrons mieux comprendre comment les interactions fortes lient les quarks et les gluons dans les protons ou répondre à la question de savoir comment l’appartenance à un noyau atomique plus large affecte les propriétés d’un seul proton ", conclut le professeur Kutak.



 

"Quipu", la nouvelle superstructure spatiale la plus massive jamais caractérisée

Présentée dans une nouvelle étude du Dr Böhringer dans la revue scientifique ArXiv, la superstructure spatiale "Quipu" remporte la palme de la plus grande structure spatiale jamais observée et étudiée, avec une longueur de 1,3 milliard d'années-lumière. Une découverte étourdissante mais surtout essentielle à notre compréhension de l'Univers.

Quel est le plus gros objet découvert dans l’espace ? La plus grosse lune ? La plus grosse planète ? Et quelle est la plus grosse étoile jamais découverte ? Et la plus grosse galaxie ?

Si ces questions peuvent sembler naïves voir enfantines, elles restent encore au cœur de l’attention des astronomes. De par leur taille et leur masse, les plus grands corps célestes provoquent en effet des perturbations importantes dans nos observation et dans notre perception de l’espace.

Présenté ce 31 janvier 2025 dans la revue scientifique ArXiv, une nouvelle étude de l'Institut Max Planck menée par le docteur Hans Börhinger et son équipe a ainsi révélé l’existence d’un nouveau corps céleste gigantesque, parmi les plus grands de l’Univers proche : une superstructure de galaxies longue de 1,3 milliard d'années lumières nommée "Quipu".

(Image : Quipu et les géants de l’espace

Selon sa première modélisation, Quipu semble constituée d'un immense fil galactique principal sur lequel viennent s'accrocher plusieurs fils secondaires, à la manière d'un quipu maya.*)  

Sous la couronne des géants de l’espace, ni étoiles ni trous noirs, mais des super-amas de galaxies liées ensemble par les liens étroits de la gravité et fendant l’espace comme un seul et unique objet.

Longue de 1,3 milliard d’années-lumière et pesant un affolant 200 billards de "masses solaires" (soit 2.4 × 10^17 M⊙), la superstructure de Quipu a été découverte dans une zone "l'Univers proche", située entre 424 et 815 millions d’années-lumière de notre planète, en compagnie de 4 autres amas plus modestes.

D’après sa modélisation, Quipu semble constituée d’un long filament principal, embranché de plusieurs fils annexes, le faisant ressembler aux quipus aztèques et mayas. Ces objets, faits de fils et de nœuds de plusieurs couleurs, servaient autrefois à la représentation des chiffres de grande taille et sont aujourd’hui encore un grand mystère de l’archéologie. Une comparaison adéquate, pour une structure encore nimbée de mystère.

Contenant plusieurs milliers de galaxies, elle est caractérisée par un nuage de gaz surchauffés émettant des rayons X. Communs à tous les amas, ces rayonnements constituent leur signature propre et permettent aux chercheurs de les identifier, mais surtout de les cartographier.

"Nous avons caractérisé la distribution de la matière dans toute la zone et cherché les plus grandes structures. De cette manière, nous avions une représentation complète du volume,'" explique le Dr. Böhringer."Nous avons défini exactement ce que nous cherchions: une structure de grande taille présentant une densité cosmique deux fois plus dense."

(Image : Modélisation des différences de densité en galaxies entre les différents amas galactiques découverts pendant l'étude (représentés par les différents nuages de points) et les espaces interstitiels. Plus la densité est importante, plus la couleur de la zone va tendre vers le jaune, voir le blanc.)

Lentilles gravitationnelles et filtre spatial

"Pour déterminer des paramètres cosmologiques de manière précise, nous devons comprendre les effets qu’ont les structures à large échelle de l’Univers sur nos mesures," expliquent les chercheurs dans l'étude.

Car à l’instar d’autres méga structures, Quipu possède une influence énorme sur nos capacités d’observation du ciel.

Parmi ces perturbations, la première à envisager est la déformation des images : dans l’espace, de nombreux objets supermassifs tels que les trous noirs géants ou les amas de galaxies arrivent en effet à détourner la lumière par la force de leur gravité. Ce phénomène, appelé "lentille gravitationnel", modifie ainsi la place des planètes et des étoiles dans nos observations.

Autre problème, nos mesures de la Constante de Hubble, qui nous permet d’estimer la vitesse d'expansion de l’Univers, pourraient également être perturbées par des corps aussi massifs que Quipu.

En effet, si l’Univers s’étend de manière uniforme, certains corps possèdent une vitesse qui leur est propre appelée "vitesse particulière", comme une personne marchant sur un tapis roulant plutôt que rester immobile, et doit elle aussi être prise en compte lors du calcul de la constante de Hubble.

Enfin, la simple présence de Quipu tend à filtrer le "fond diffus cosmologique" : des rayonnements cosmiques émis peu de temps après le Big Bang. Étudiés de près par les scientifiques, ils ont permis de nombreuses découvertes sur les origines et le développement de l'Univers. Inversement, nos méthodes modélisations actuelles avaient également prédit l'existence de structures super-massives telles que Quipu et ses quatre voisines.

"Nous avons trouvé des superstructures avec des propriétés similaires à celles simulées par des modèles cosmologiques basés sur le modèle ΛCDM (le modèle standard du Big Bang reposant sur ces mêmes rayonnement N.D.L.R.)" expliquent les auteurs.

D’autres structures plus massives, tel que le Grand Mur d’Hercule-Couronne Boréale et ses 10 milliards d’années-lumière de longueur, ont été également détectées encore plus loin de la Terre (a plus de 900 millions d’années-lumière de distance)

"Il peut y avoir des signatures de structures plus grandes lorsque l'ont vise à de plus grandes distances, mais elles sont bien moins caractérisées et restent très spéculatives," explique le Dr. Böhringer. "Une autre structure proche et presque aussi grosse que Quipu est le Grand Mur de Sloan, mais il contient bien moins de galaxies."

À la question "Quel est le plus grand objet décrit et caractérisé dans l’espace ?" la réponse semble donc être "Quipu" !

Pour comprendre à quel point un million est différent d'un milliard, pensez-y comme suit : Un million de secondes correspond à un peu moins de deux semaines ; un milliard de secondes correspond à environ trente-deux ans. 

Considérer les nombres comme des ensembles de cailloux peut sembler inhabituel, mais c'est en fait aussi vieux que les mathématiques elles-mêmes. Le mot " calcul " reflète cet héritage : il vient du mot latin calculus, qui désigne un galet utilisé pour compter. Pour aimer travailler avec des chiffres, il n'est pas nécessaire d'être Einstein (caillou en allemand), mais il peut être utile d'avoir des cailloux dans la tête*. 

Je connais des animaux plus vaillants que le phacochère africain, mais aucun n'est plus courageux. C'est le paysan des plaines, le terne mineur qui creuse la terre. 

La seule personne à posséder encore un minimum de morale et à se battre contre les ténèbres de l’inhumanité en a elle-même été victime. " Inhumanité " - ce mot, je ne l’utilise même plus. Qu’est-ce qui est inhumain, au fond ? Est-ce que faire des choses inhumaines n’est pas ce qu’il y a de plus humain ?

A Montparnasse, c'était le premier changement. Quand il avait un coin, au côté opposé à la descente, il pouvait atteindre sans trop de bousculade son second changement, au Châtelet.

Chaque soir, répétition. Cabas d'une main, journal de l'autre. Éternité maussade dans les trépidations. Ça durait depuis toujours. C'était la vie, la vie de tous les jours, ce supplice chinois, un effet de cloche qui sonne, régulière, éternelle.

Augustin Marcadet s'adossait à la vitre pour essayer de lire. Il pliait courtoisement son journal, côté politique ou côté sport. Il y portait les yeux, en petits efforts vagues de concentration.

Il ne s'agissait même pas d'essayer de penser, il suffisait de faire semblant. Grande habitude. Congrès radsoc ou tour de France. Lire un peu pour la conversation et du lendemain. Pouvoir discuter un peu sur la technique des Belges dans les étapes de montagne...

Edouard Gallois était sur le pont. Il était accoudé au-dessus des remous de la Seine [...]. Il avait un ciré noir taché de petite boue, des cheveux longs de chômeur et une face verdâtre de malheureux.

Et il était tout angoissé d'humble peine quotidienne, tout serré de malchance. Et il avait aussi comme un désir de se noyer dans toutes les énormes harmonies qui se répercutaient d'une rive à l'autre. Il aurait voulu qu'on lui joue de la musique, lui le petit chômeur. Ça n'avait rien de ricanant, sa mélancolie ; c'était aussi simple que la pluie.

Il attendait la nuit pour rentrer chez lui. Il n'était pas si pressé de se retrouver dans son logement sans couleur, avec tout l'écœurement, toute la petite souffrance du bonhomme inutile.

Comment situer ce tournant dans l’histoire plus générale de notre civilisation?

L’évolution des derniers siècles (en occident) semble suivre un parallèle assez fort avec l’évolution antique.

Alexandre le Grand peut être comparé à Napoléon, le XIXe siècle avec la société hellénistique des IIIe et IIe siècles av. J.C., les guerres puniques aux guerres mondiales. Le socialisme et le communisme suivent l’héritage des Gracques et de Marius ; les fascismes correspondraient ensuite aux expériences politiques de Sylla, ce qui nous amène, nous, nécessairement à la fin de la République romaine.

La question principale est désormais de savoir qui va régner durablement sur l’occident. Cette question ne sera pas résolue paisiblement : on échappera peut-être à de véritables guerres civiles, mais une période prolongée d’émeutes, d’instabilité politique et de déclin économique me semble inévitable, surtout en Europe, et je crois que nous n’en sommes qu’au début.

D’ailleurs, Spengler ne voyait en Mussolini qu’un personnage précésarien, annonçant plutôt que représentant les transformations politiques du futur, fixant la mutation " impériale " de l’occident vers les années 2000 à 2050.

Il va de soi qu'il faut ... refuser de penser en termes de "gauche" et de "droite", car la "gauche" a cessé depuis longtemps de défendre une idéologie socialiste, tout comme la "droite" a abandonné depuis également longtemps la défense des valeurs historiques de notre continent. De manière similaire, il faut arrêter de se laisser intimider par l'emploi de mots vidés de leur sens, comme par exemple "réactionnaire" (pour ceux qui voudraient réinscrire la spiritualité dans la société), "stalinien" (pour ceux qui désireraient protéger les ouvriers et employés du diktat des marchés), "fasciste" (pour ceux qui en appelleraient à la démocratie directe) ou "extrême-droite" (pour ceux qui voudraient que le contrôle d'une civilisation millénaire ne tombe pas, en quelques décennies à peine, dans les mains de nouveaux venus accueillis par simple souci humanitaire, ou, pire, de certains groupements religieux ouvertement anti-occidentaux). Plutôt que de se défendre et se justifier pour montrer son adhérence aux valeurs anti-totalitaires et donc de proclamer involontairement sa loyauté à un système politique désuet, renvoyez ces mots à ceux qui vous les adressent, en demandant ce qu'ils veulent dire. Vous verrez rapidement la panique sur les visages de ceux qui tentent de vous expliquer pourquoi on est "nationaliste" parce qu'on critique l'Union Européenne tout en plaidant pour une véritable fédération continentale, pourquoi on est "communiste" parce qu'on tente de défendre le droit à la grève et limiter l'emprise absolue des marchés, ou pourquoi on est "populiste" parce qu'on s'inquiète de la tiers-mondialisation de l'Europe.