Un proton (premier plan) est composé de trois quarks, chacun avec une propriété unique appelée couleur. Ils sont retenus par la force nucléaire puissante.
(Image: © Laboratoire national Lawrence Berkeley)
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers. Sutter a contribué à cet article Les voix d'experts de Space.com: Op-Ed & Insights.
Les quatre forces connues de la nature ont leur propre place unique. Gravité, électromagnétisme, nucléaire faible, nucléaire fort: chacun régissant un petit domaine de nos vies. Alors que nos expériences quotidiennes sont dominées par la gravité de la Terre et l'électromagnétisme de la lumière et des aimants de réfrigérateur, les forces nucléaires jumelles jouent également un rôle clé - juste à très, très petites échelles.
Comment minuscule? Imaginez-vous monter en ballon pour devenir la taille du système solaire. Vos mains nagent à travers le Nuage d'Oort elle-même, les planètes se nichent au-dessus de votre nombril. Vous êtes si gros que les signaux électriques mettent des semaines, voire des mois, à parcourir votre système nerveux, rendant même les gestes les plus simples douloureusement lents.
C'est la différence entre votre taille actuelle (environ quelques mètres) et 10 ^ 15 mètres.
Maintenant, exécutez-le en sens inverse. Imaginez une échelle si petite que votre corps actuel semble aussi vaste que le système solaire. Une échelle où vos mouvements avancent au rythme le plus lent. Cette échelle incroyablement minuscule est le femtomètre: 10 ^ -15 mètres. C'est l'échelle du noyau atomique.
Dans le proton
De là-haut, il est tentant de considérer le proton comme une seule particule. Une coquille dure de charge positive et de masse, capable de rebondir et de frapper aussi facilement qu'une boule de billard. Mais en réalité, un proton est composé de trois particules plus petites. Ces particules ont le nom délicieusement original de quarks. Il existe au total six types de quarks dans la nature, mais pour notre examen attentif du proton, nous n'avons besoin de nous soucier que de deux d'entre eux, appelés les quarks haut et bas.
Comme je l'ai dit, un proton est un triplet de quarks: deux quarks up et un quark down. Ces quarks se lient ensemble en équipe, et cette équipe liée est ce que nous appelons un proton.
Sauf que ça ne devrait pas avoir de sens.
Les deux quarks ont exactement la même charge électrique (car ils sont exactement le même type de particule), donc ils devraient absolument se détester. Comment restent-ils si étroitement collés?
Et de plus, nous savons par la mécanique quantique que deux quarks ne peuvent pas partager exactement le même état - vous ne pouvez pas avoir deux du même type liés ensemble comme ça. Ces deux quarks ne devraient pas être autorisés à coexister ensemble comme ça. Et pourtant, non seulement ils se tolèrent, mais ils semblent vraiment apprécier la compagnie!
Que se passe-t-il?
Une couleur différente
Dans les années 1950 et 1960, les physiciens ont commencé à réaliser que le proton n'était pas fondamental - il peut être décomposé en plus petites parties. Ils ont donc fait un tas d'expériences et développé un tas de théories pour casser cette noix en particulier. Et ils ont immédiatement rencontré a) l'existence de quarks et b) les énigmes déroutantes ci-dessus.
Quelque chose tenait ces trois quarks ensemble. Quelque chose de vraiment, vraiment fort. Une nouvelle force de la nature.
La force forte.
La force forte alors supposée a résolu les problèmes de coexistence de quarks par la force brute simple. Oh, vous n'aimez pas être ensemble parce que vous ne pouvez pas partager le même état? Eh bien, tant pis, la force forte vous obligera à le faire de toute façon, et cela fournira un moyen de contourner ce problème.
Et chaque force a un point de connexion. Un crochet. Une façon de dire à cette force combien vous en êtes affecté. Pour la force électromagnétique, c'est la charge électrique. Pour la gravité, c'est la masse. Pour la force nucléaire puissante, les physiciens ont dû trouver un nouveau crochet. Un moyen pour un quark de se connecter à un autre quark via cette force. Et les physiciens ont choisi le mot couleur.
Ainsi, si vous ou une particule que vous connaissez possède cette nouvelle propriété appelée couleur, vous ressentez alors la force nucléaire puissante. Votre couleur peut être rouge, verte ou bleue (il y a aussi de la confusion entre anti-rouge, anti-vert et anti-bleu, car bien sûr la vie n'est pas si simple). Pour construire une particule comme un proton, toutes les couleurs des quarks doivent s'additionner au blanc. Ainsi, un quark est assigné pour être rouge, l'autre assigné pour être vert et le dernier assigné pour être bleu. L'affectation particulière de la couleur n'a pas vraiment d'importance (et, en fait, les quarks individuels changent constamment de couleur), ce qui compte, c'est qu'ils s'additionnent tous au blanc et que la force forte peut faire son travail.
Cette nouvelle propriété de la couleur permet aux quarks de partager un état à l'intérieur d'un proton. Avec la couleur, il n'y a pas deux quarks exactement identiques - ils ont maintenant des couleurs différentes.
Super force
Imaginez prendre deux petites pinces et saisir deux des quarks dans le proton. Vous vous entraînez, vous êtes donc en mesure de surmonter la force de la puissante force nucléaire qui les maintient ensemble.
Mais voici quelque chose de bizarre à propos de la force forte: elle ne diminue pas avec la distance. D'autres forces, comme la gravité et l'électromagnétisme, le font. Mais la force forte reste aussi forte qu'elle l'est toujours, quelle que soit la distance entre ces quarks.
Donc, lorsque vous tirez sur ces quarks, vous devez continuer à ajouter de plus en plus d'énergie pour maintenir la séparation. Vous ajoutez finalement tellement d'énergie que, l'énergie étant équivalente à la masse et tout cela, de nouvelles particules apparaissent dans le vide entre les quarks. De nouvelles particules comme… d'autres quarks.
Ces nouveaux quarks trouvent presque immédiatement leurs amis nouvellement séparés et se lient ensemble, jetant tout votre travail acharné et transpirant dans un seul éclair d'énergie avant même que la distance entre eux ne soit perceptible. Au moment où vous pensez avoir séparé les quarks, ils en ont déjà trouvé de nouveaux auxquels se lier. Cet effet est connu sous le nom de confinement de quark: la force forte est en fait tellement forte qu'elle nous empêche de voir un quark isolément.
C'est dommage que nous n'ayons jamais pu voir quelle est sa couleur.
En savoir plus en écoutant l'épisode "Qu'est-ce qui rend la force si forte?" sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Kayja N. et Ter B. pour les questions qui ont mené à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.
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