Dans un noyau atomique, les protons contiendraient une force comparable à celle de 10 éléphants

Dans le cadre d'une récente étude, des chercheurs ont réussi à cartographier les forces invisibles à l'intérieur des protons. Les résultats de cette recherche pourraient améliorer notre compréhension de la physique nucléaire et optimiser certains traitements contre le cancer.

Les protons sont essentiels à toute forme de matière. En creusant dans les souvenirs qu'il nous reste de nos cours de physique chimie, on se souvient que les protons et les neutrons forment des noyaux atomiques, lesquels sont entourés d'électrons. Et toute la matière qui se trouve autour de nous est constituée d’atomes.

Pourtant, d’après Interesting Engineering, la structure interne des protons demeure l’un des mystères les plus complexes de la physique. Dans une étude publiée dans la revue Physical Review Letters, une équipe internationale de chercheurs a tenté de cartographier les forces à l’intérieur d’un proton, révélant des résultats stupéfiants.

Une expérience pionnière

Tout d’abord, les scientifiques savent que les protons sont composés de particules élémentaires appelées : quarks. Ces quarks sont liés entre eux sous l’effet de la "force forte", l’une des quatre forces fondamentales de la nature avec la gravité, l’électromagnétisme et la force faible. Cette force est extrêmement puissante, mais elle agit sur de très petites distances à l'échelle des noyaux atomiques. Il est donc très difficile de la mesurer directement.

Les scientifiques ont alors décidé de créer une grille virtuelle coupant l’espace et le temps. Ils ont ensuite appliqué à cette grille des équations complexes simulant la manière dont les quarks interagissent entre eux. "En rendant visibles pour la première fois les forces invisibles à l'intérieur du proton, cette étude comble le fossé entre théorie et expérience – tout comme les générations précédentes ont découvert les secrets de la lumière pour transformer le monde moderne", a déclaré Richard Young, l'un des auteurs de l'étude et professeur associé à l'Université d'Adélaïde.

Améliorer la sécurité des réactions nucléaires

C’est ainsi que les chercheurs ont découvert que "même à ces échelles minuscules, les forces impliquées sont immenses, atteignant jusqu'à un demi-million de Newtons, l'équivalent d'environ 10 éléphants, comprimés dans un espace bien plus petit qu'un noyau atomique", comme l’explique Joshua Crawford, chercheur principal et doctorant à l'Université d'Adélaïde.

Mais alors, à quoi cette découverte peut-elle bien servir ? En réalité, comprendre la dynamique interne des protons est essentiel pour améliorer nos connaissances de la physique nucléaire. En sachant comment interagissent les quarks, on peut ainsi comprendre comment maintenir le proton intact. Une clé essentielle au bon fonctionnement d’une réaction nucléaire.

En plus des avancées que cette étude pourrait représenter dans le domaine nucléaire, elle pourrait aussi contribuer à améliorer les traitements contre le cancer. Certains types de radiothérapie comme la protonthérapie pourraient bénéficier de ces connaissances pour devenir plus précises.



 

Des physiciens comprennent enfin pourquoi l’interaction forte est si tenace 

Il existe quatre forces fondamentales : la force de gravité, l’électromagnétisme, l’interaction faible et l’interaction (ou force) forte. Cette dernière est la plus intense. L’interaction forte agit en liant les quarks au sein des protons et des neutrons. Elle maintient ainsi les nucléons ensemble pour former des noyaux atomiques. La force forte est jusqu’à 100 000 milliards de milliards de fois plus intense que la force de gravité. Malgré cette intensité, elle est relativement peu comprise, par rapport aux autres forces. Récemment, des chercheurs ont percé l’un des mystères de l’interaction forte expliquant sa ténacité et sont notamment parvenus à la mesurer de façon plus précise.

L’interaction forte est quantifiée par la constante de couplage (que les auteurs de l’étude choisissent d’appeler simplement " couplage "), notée αs (alpha s). Il s’agit d’un paramètre fondamental dans la théorie de la chromodynamique quantique (QCD).

La difficulté de la mesure de αs réside principalement dans sa nature très variable : plus deux quarks sont éloignés, plus le couplage est élevé, et plus l’attraction entre eux devient forte. À des distances faibles, où αs est encore faible, les physiciens parviennent à appliquer des méthodes de calcul basique pour déterminer le couplage. Cependant, ces techniques deviennent inefficaces à des distances plus importantes. Dans une nouvelle étude, des physiciens ont ainsi réussi à appliquer de nouvelles méthodes pour mieux déterminer αs à des distances plus importantes. 

Un calcul basé sur l’intégrale de Bjorken

Poussé par sa curiosité, l’un des chercheurs a testé l’utilisation de l’intégrale de Bjorken pour prédire αs sur de longues distances. Cette méthode permet de définir des paramètres relatifs à la rotation de la structure des nucléons et ainsi de calculer le couplage de la force forte à courte distance. Le scientifique ne s’attendait donc pas à faire une découverte de ce calibre en faisant cet essai. Pourtant, contre toute attente, ses résultats ont montré qu’à un moment donné, αs cesse d’augmenter pour devenir constant. Il a ainsi partagé ses découvertes avec son mentor qui avait, lui aussi, obtenu des résultats similaires dans des travaux antérieurs.

 " Ce fut une chance, car même si personne ne s’en était encore rendu compte, l’intégrale de Bjorken est particulièrement adaptée aux calculs de αs sur de longues distances ", déclarent les chercheurs dans un article du Scientific American. Les résultats ont été présentés lors de diverses conférences de physique, durant l’une desquelles l’auteur principal a rencontré un autre physicien, Stanley Brodsky, qui aurait appuyé les résultats obtenus.

Une méthode par holographie

En parallèle à cette découverte, d’autres physiciens ont travaillé sur la mise au point d’une autre méthode de calcul de αs sur de longues distances, qu’ils ont appelée " holographie du front lumineux ". L’holographie est une technique mathématique qui a initialement été développée dans le contexte de la théorie des cordes et de la physique des trous noirs.

Cependant, en physique des particules, elle sert à modéliser des phénomènes en quatre dimensions (incluant les trois dimensions spatiales et une dimension temporelle) en se basant sur des calculs effectués dans un espace à cinq dimensions. Dans cette méthode, la cinquième dimension n’est pas nécessairement une dimension physique réelle, mais peut servir d’outil mathématique pour faciliter les calculs. L’idée est que certaines équations complexes en quatre dimensions peuvent devenir plus simples ou plus intuitives quand elles sont envisagées dans un espace à cinq dimensions.