Des scientifiques viennent de franchir un cap décisif dans la compréhension de la structure de la matière. Pour la première fois, ils ont réussi à cartographier avec un niveau de détail sans précédent les forces qui agissent à l’intérieur des protons. Cette avancée, réalisée grâce à une collaboration internationale incluant des chercheurs de l’Université d’Adélaïde, ouvre une fenêtre unique sur l’infiniment petit et les mécanismes qui régissent l’Univers à son échelle la plus fondamentale.
Le proton, un univers en soi
Présent dans le noyau de chaque atome, le proton est bien plus complexe qu’il n’y paraît. Loin d’être une simple particule indivisible, il est en réalité constitué d’éléments encore plus petits : les quarks. Ces quarks sont au nombre de trois dans un proton (deux quarks « up » et un quark « down ») et sont maintenus ensemble par des particules appelées gluons. Ces gluons véhiculent la force forte, l’une des quatre interactions fondamentales de la physique aux côtés de la gravitation, de la force électromagnétique et de l’interaction faible.
La force forte joue un rôle crucial dans la cohésion du proton. En effet, les quarks possèdent des charges électriques partielles et deux d’entre eux, les quarks up, ont des charges positives. En théorie, cette proximité de charges identiques devrait provoquer une répulsion électromagnétique intense. Pourtant, le proton reste stable. Nous devons cette cohésion à l’action des gluons. Ces derniers agissent comme un ciment incroyablement puissant qui empêche les quarks de se disperser.
Cette force est si intense qu’elle dépasse largement l’attraction électromagnétique ou la gravitation. Toutefois, malgré son importance, la répartition et les effets précis de cette force forte à l’intérieur du proton restaient jusqu’ici mal compris. Le comportement des quarks et des gluons, leur dynamique interne et la manière dont ces forces se manifestent au niveau subatomique sont en effet des phénomènes extrêmement difficiles à observer directement, car ils se produisent à des échelles de temps et d’espace incroyablement petites.
Une technologie de pointe pour cartographier l’infiniment petit
La chromodynamique quantique (QCD) est une théorie fondamentale qui décrit les interactions entre ces particules. Pour simuler ces interactions avec une grande précision, les chercheurs de l’Université d’Adélaïde ont utilisé une méthode appelée QCD sur réseau. En gros, au lieu de tenter de modéliser l’espace et le temps de manière continue, cette méthode divise l’univers en une sorte de grille, un réseau discret. Imaginez que vous zoomiez sur une petite portion de l’Univers et que vous le découpiez en petites cellules où chaque point de la grille représente un événement à un moment précis. Cela permet de simuler et de calculer les interactions entre les quarks et les gluons à ces échelles minuscules.
Cette approche est très puissante, car elle permet de prendre en compte tous les aspects complexes des interactions entre ces particules, même ceux qui ne sont pas évidents à prévoir théoriquement. En utilisant des ordinateurs extrêmement puissants, les chercheurs peuvent simuler ces interactions et prédire des phénomènes qui ne peuvent pas être observés directement dans les expériences de laboratoire. C’est une méthode de calcul extrêmement fine qui donne des résultats très précis et elle a permis des avancées majeures dans notre compréhension de la physique fondamentale.
« Cette approche nous donne la capacité unique de voir comment la force forte varie à l’intérieur du proton », explique le professeur associé Ross Young, de l’Université d’Adélaïde. « C’est comme si nous disposions enfin d’une carte topographique de cette région microscopique qui révèle des détails jusqu’ici inaccessibles. »
Des forces colossales dans un espace minuscule
Les calculs ont abouti à ce qui pourrait être la plus petite carte de champ de force jamais créée dans la nature. Les résultats sont saisissants : les forces internes mesurées à l’intérieur du proton atteignent jusqu’à un demi-million de Newtons. Pour donner un ordre de grandeur, c’est l’équivalent de la pression exercée par dix éléphants sur une surface bien plus petite qu’un noyau atomique. Cette puissance inimaginable à notre échelle montre à quel point les interactions au sein des protons sont intenses et dynamiques. Ces forces immenses expliquent en partie pourquoi les protons sont si stables et pourquoi ils jouent un rôle si crucial dans la structure de la matière.
Notez enfin que cette avancée ne se limite pas à la recherche fondamentale. La meilleure compréhension de la structure interne des protons pourrait en effet avoir des applications concrètes dans des domaines de pointe. Par exemple, la protonthérapie, une technique de traitement du cancer qui utilise des protons à haute énergie, pourrait bénéficier de ces découvertes pour améliorer la précision et l’efficacité des traitements.
De plus, ces résultats permettront d’affiner les modèles utilisés au Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus grand accélérateur de particules au monde. En comprenant mieux la dynamique interne des protons, les physiciens pourront interpréter avec plus de précision les résultats des expériences menées dans cette infrastructure de recherche internationale.
