La force nucléaire puissante est, comme vous l'avez peut-être deviné, une force très puissante. Il est si puissant qu'il est capable de rassembler certaines des plus petites particules de l'univers pendant de très longues périodes, peut-être pour toujours. Les particules liées par la force forte forment les éléments constitutifs de notre monde quotidien: les protons et les neutrons. Mais si vous deviez ouvrir un proton ou un neutron, vous ne trouveriez pas un arrangement simple et agréable de particules subatomiques. Au lieu de cela, vous verriez les entrailles dégoûtantes de peut-être l'une des forces les plus complexes de l'univers.
Les protons et les neutrons ne sont pas les seules choses que la force forte est capable de fabriquer, mais nous ne comprenons pas vraiment les autres arrangements plus complexes et exotiques. De plus, même nos observations et expériences sont elles-mêmes très sommaires. Mais les physiciens travaillent d'arrache-pied pour essayer de rassembler des informations sur cette force fondamentale de la nature.
Fort et complexe
Pour décrire la force forte, il est préférable de la comparer à son cousin beaucoup plus célèbre, la force électromagnétique. Avec la force électromagnétique, les choses sont simples, faciles et directes; à tel point que les scientifiques des années 1900 ont pu le découvrir. Avec la force électromagnétique, n'importe quelle particule peut rejoindre le parti tant qu'elle a une propriété appelée charge électrique. Si vous avez cette charge, vous ressentez et réagissez à la force électromagnétique. Et toutes sortes de particules de toutes les rayures et saveurs portent une charge électrique, comme l'électron de votre jardin.
Une autre particule, la particule lumineuse (également connue sous le nom de photon), fait le travail de transmission de la force électromagnétique d'une particule chargée à une autre. Le photon lui-même n'a pas sa propre charge électrique et est sans masse. Il se déplace à la vitesse de la lumière, se déplaçant d'avant en arrière à travers l'univers, ce qui provoque l'électromagnétisme.
Charge électrique. Un seul porteur de la force électromagnétique. Simple, direct.
En revanche, six particules sont soumises à la forte force nucléaire. En tant que groupe, ils sont connus comme les quarks et ont des noms suffisamment originaux comme haut, bas, haut, bas, étrange et charme. Pour ressentir et répondre à la force nucléaire puissante, ces quarks ont leur propre charge. Ce n'est pas une charge électrique (bien qu'ils aient également une charge électrique et ressentent également la force électromagnétique), mais pour diverses raisons qui rendent les choses vraiment déroutantes, les physiciens appellent cette charge spéciale associée à la force nucléaire forte la charge de couleur.
Les quarks peuvent avoir l'une des trois couleurs appelées rouge, vert et bleu. Juste pour clarifier, ce ne sont pas des couleurs réelles, mais simplement des étiquettes que nous donnons à cette étrange propriété semblable à une charge.
Ainsi, les quarks ressentent la force puissante, mais elle est portée par toute une série d'autres particules - huit, pour être précis. On les appelle les gluons, et ils font un très bon travail de… attendez-le… collant des quarks ensemble. Les gluons ont également la capacité et le désir de porter leur propre charge de couleur. Et ils ont de la masse.
Six quarks, huit gluons. Les quarks peuvent changer leur charge de couleur, et les gluons aussi, car pourquoi pas.
Tout cela signifie que la force nucléaire puissante est beaucoup plus complexe et complexe que son cousin électromagnétique.
Bizarrement fort
D'accord, j'ai menti. Les physiciens n'ont pas simplement appelé cette propriété des quarks et des gluons «la charge de couleur» parce qu'ils en avaient envie, mais parce qu'elle sert d'analogie utile. Les gluons et les quarks peuvent se lier ensemble pour former des particules plus grosses tant que toutes les couleurs s'additionnent au blanc, tout comme la lumière rouge, bleue et verte s'ajoutent à la lumière blanche… La combinaison la plus courante est de trois quarks, chacun rouge, vert, et bleu. Mais l'analogie devient un peu délicate ici, parce que chaque quark individuel peut avoir n'importe laquelle des couleurs qui lui sont assignées à tout moment; ce qui compte, c'est le nombre de quarks pour obtenir les bonnes combinaisons. Vous pouvez donc avoir des groupes de trois quarks pour fabriquer les protons et les neutrons familiers. Vous pouvez également avoir une liaison de quark avec son anti-quark, où la couleur s'annule avec elle-même (comme dans, les paires vertes avec l'anti-vert, et non je ne fais pas que ça au fur et à mesure), pour faire un sorte de particule connue sous le nom de méson.
Mais cela ne s'arrête pas là.
Théoriquement, toute combinaison de quarks et de gluons qui s'additionnent au blanc est techniquement admissible dans la nature.
Par exemple, deux mésons - chacun avec deux quarks à l'intérieur d'eux - peuvent potentiellement se lier ensemble en quelque chose appelé un tétraquark. Et dans certains cas, vous pouvez ajouter un cinquième quark au mélange, en équilibrant toujours toutes les couleurs, appelé (vous l'avez deviné) un pentaquark.
Le tétraquark n'a même pas besoin d'être lié techniquement ensemble en une seule particule. Ils peuvent simplement exister les uns à côté des autres, faisant ce qu'on appelle une molécule hydronique.
Et comme c'est fou: les gluons eux-mêmes n'ont peut-être même pas besoin d'un quark pour faire une particule. Il peut simplement y avoir une boule de gluons, relativement stable dans l'univers. On les appelle des boules de colle. La gamme de tous les états liés possibles permise par la force nucléaire forte s'appelle le spectre du quarkonium, et ce n'est pas un nom inventé par un écrivain d'émissions de science-fiction. Il existe toutes sortes de combinaisons potentielles folles de quarks et de gluons qui pourraient bien exister.
Ils le font aussi?
Quark Rainbow
Peut être.
Les physiciens ont mené de solides expériences de force nucléaire depuis plusieurs décennies maintenant, comme l'expérience Baber et quelques-unes au Grand collisionneur de hadrons, lentement au fil des ans, augmentant à des niveaux d'énergie plus élevés pour sonder de plus en plus profondément dans le spectre du quarkonium (et oui vous avez ma permission d'utiliser cette phrase dans n'importe quelle phrase ou conversation décontractée que vous voulez, c'est génial). Dans ces expériences, les physiciens ont trouvé de nombreuses collections exotiques de quarks et de gluons. Les expérimentateurs leur donnent des noms funky, comme χc2 (3930).
Ces particules potentielles exotiques n'existent que brièvement, mais existent dans de nombreux cas de manière concluante. Mais les physiciens ont du mal à relier ces particules produites brièvement à celles théoriques qui devraient exister, comme les tétraquarks et les boules de colle.
Le problème avec la connexion est que les calculs sont vraiment difficiles. Contrairement à la force électromagnétique, il est très difficile de faire des prédictions solides impliquant une force nucléaire forte. Ce n'est pas seulement à cause des interactions compliquées entre les quarks et les gluons. Aux très hautes énergies, la force de la force nucléaire puissante commence en fait à s'affaiblir, ce qui permet de simplifier les calculs. Mais à des énergies inférieures, comme l'énergie nécessaire pour lier les quarks et les gluons pour former des particules stables, la force nucléaire forte est en fait, très, très forte. Cette force accrue rend les calculs plus difficiles à comprendre.
Les physiciens théoriciens ont mis au point un tas de techniques pour résoudre ce problème, mais les techniques elles-mêmes sont soit incomplètes soit inefficaces. Bien que nous sachions que certains de ces états exotiques du spectre du quarkonium existent, il est très difficile de prédire leurs propriétés et leurs signatures expérimentales.
Pourtant, les physiciens travaillent dur, comme ils le font toujours. Lentement, au fil du temps, nous constituons notre collection de particules exotiques produites par les collisionneurs et faisons de meilleures prédictions sur ce à quoi devraient ressembler les états théoriques du quarkonium. Les matchs se rapprochent lentement, nous donnant une image plus complète de cette force étrange mais fondamentale dans notre univers.
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.
