La force de la force forte

Le boson de Higgs a fait grand bruit lorsque cette particule insaisissable a été découverte en 2012. Bien qu’elle ait été présentée comme donnant une masse de matière ordinaire, les interactions avec le champ de Higgs ne génèrent qu’environ 1 % de la masse ordinaire. Les 99 % restants proviennent de phénomènes associés à la force forte, la force fondamentale qui lie des particules plus petites appelées quarks à des particules plus grosses appelées protons et neutrons qui composent le noyau des atomes de matière ordinaire.

Maintenant, des chercheurs du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l’Énergie ont extrait expérimentalement la force de la force forte, une quantité qui soutient fermement les théories expliquant comment la majeure partie de la masse ou de la matière ordinaire dans l’univers est générée.

Cette quantité, connue sous le nom de couplage de la force forte, décrit la force avec laquelle deux corps interagissent ou « se couplent » sous cette force. Le couplage de force forte varie avec la distance entre les particules affectées par la force. Avant cette recherche, les théories étaient en désaccord sur la façon dont le couplage de force puissant devrait se comporter à grande distance : certains prédisaient qu’il devrait croître avec la distance, certains qu’il devrait diminuer et d’autres qu’il devrait devenir constant.

Avec les données du Jefferson Lab, les physiciens ont pu déterminer le couplage de force intense aux plus grandes distances à ce jour. Leurs résultats, qui fournissent un support expérimental aux prédictions théoriques, ont récemment fait la couverture de la revue Particules.

« Nous sommes heureux et ravis de voir nos efforts reconnus », a déclaré Jian-Ping Chen, chercheur principal au Jefferson Lab et co-auteur de l’article.

Bien que cet article soit l’aboutissement d’années de collecte et d’analyse de données, il n’était pas entièrement intentionnel au début.

Un spin-off d’une expérience de spin

À de plus petites distances entre les quarks, le couplage de forces fortes est faible et les physiciens peuvent le résoudre avec une méthode itérative standard. À de plus grandes distances, cependant, le couplage de force fort devient si important que la méthode itérative ne fonctionne plus.

« C’est à la fois une malédiction et une bénédiction », a déclaré Alexandre Deur, scientifique au Jefferson Lab et co-auteur de l’article. « Bien que nous devions utiliser des techniques plus compliquées pour calculer cette quantité, sa valeur même déclenche une foule de phénomènes émergents très importants. »

Cela inclut un mécanisme qui représente 99% de la masse ordinaire de l’univers. (Mais nous y reviendrons dans un instant.)

Malgré le défi de ne pas pouvoir utiliser la méthode itérative, Deur, Chen et leurs co-auteurs ont extrait un fort couplage de force aux plus grandes distances entre les corps affectés.

Ils ont extrait cette valeur d’une poignée d’expériences du Jefferson Lab qui étaient en fait conçues pour étudier quelque chose de complètement différent : le spin des protons et des neutrons.

Ces expériences ont été menées dans l’installation d’accélération de faisceaux d’électrons continus du laboratoire, une installation utilisateur du DOE. Le CEBAF est capable de fournir des faisceaux d’électrons polarisés, qui peuvent être dirigés sur des cibles spécialisées contenant des protons et des neutrons polarisés dans les halls d’expérimentation. Lorsqu’un faisceau d’électrons est polarisé, cela signifie que la majorité des électrons tournent tous dans la même direction.

Ces expériences ont projeté le faisceau d’électrons polarisés du Jefferson Lab sur des cibles de protons ou de neutrons polarisés. Au cours des plusieurs années d’analyse des données qui ont suivi, les chercheurs ont réalisé qu’ils pouvaient combiner les informations recueillies sur le proton et le neutron pour extraire un fort couplage de force à de plus grandes distances.

« Seul le faisceau d’électrons polarisés haute performance de Jefferson Lab, en combinaison avec les développements des cibles polarisées et des systèmes de détection, nous a permis d’obtenir de telles données », a déclaré Chen.

Ils ont constaté qu’à mesure que la distance augmente entre les corps affectés, le couplage de force forte augmente rapidement avant de se stabiliser et de devenir constant.

« Certaines théories ont prédit que cela devrait être le cas, mais c’est la première fois expérimentalement que nous le voyons réellement », a déclaré Chen. « Cela nous donne des détails sur la façon dont la force forte, à l’échelle des quarks formant des protons et des neutrons, fonctionne réellement. »

Le nivellement soutient des théories massives

Ces expériences ont été menées il y a environ 10 ans, lorsque le faisceau d’électrons du Jefferson Lab était capable de fournir des électrons jusqu’à 6 GeV d’énergie (il est maintenant capable de produire jusqu’à 12 GeV). Le faisceau d’électrons à faible énergie était nécessaire pour examiner la force forte à ces distances plus grandes : une sonde à faible énergie permet d’accéder à des échelles de temps plus longues et, par conséquent, à de plus grandes distances entre les particules affectées.

De même, une sonde à énergie plus élevée est essentielle pour effectuer un zoom avant sur des échelles de temps plus courtes et des distances plus petites entre les particules. Des laboratoires avec des faisceaux de plus haute énergie, tels que le CERN, le Fermi National Accelerator Laboratory et le SLAC National Accelerator Laboratory, ont déjà examiné le couplage de forces fortes à ces échelles d’espace-temps plus petites, lorsque cette valeur est relativement faible.

La vue agrandie offerte par les faisceaux de plus haute énergie a montré que la masse d’un quark est petite, seulement quelques MeV. Au moins, c’est leur masse de manuel. Mais lorsque les quarks sont sondés avec une énergie plus faible, leur masse augmente effectivement jusqu’à 300 MeV.

En effet, les quarks rassemblent un nuage de gluons, la particule qui transporte la force forte, lorsqu’ils se déplacent sur de plus grandes distances. L’effet générateur de masse de ce nuage représente la majeure partie de la masse de l’univers – sans cette masse supplémentaire, la masse classique des quarks ne peut représenter qu’environ 1% de la masse des protons et des neutrons. Les 99% restants proviennent de cette masse acquise.

De même, une théorie postule que les gluons sont sans masse à courte distance mais acquièrent effectivement une masse à mesure qu’ils voyagent plus loin. Le nivellement du couplage de force forte à de grandes distances soutient cette théorie.

« Si les gluons restaient sans masse à longue distance, un fort couplage de force continuerait de croître sans contrôle », a déclaré Deur. « Nos mesures montrent que le couplage de force forte devient constant à mesure que la distance sondée augmente, ce qui est un signe que les gluons ont acquis une masse par le même mécanisme qui donne 99% de masse au proton et au neutron. »

Cela signifie qu’un couplage de force fort à de grandes distances est important pour comprendre ce mécanisme de génération de masse. Ces résultats aident également à vérifier de nouvelles façons de résoudre les équations de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie acceptée décrivant la force forte.

Par exemple, l’aplatissement du couplage des forces fortes à de grandes distances prouve que les physiciens peuvent appliquer une nouvelle technique de pointe appelée dualité Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT). La technique AdS/CFT permet aux physiciens de résoudre des équations de manière non itérative, ce qui peut faciliter les calculs de forces fortes à de grandes distances là où les méthodes itératives échouent.

Le conforme dans « Conformal Field Theory » signifie que la technique est basée sur une théorie qui se comporte de la même manière à toutes les échelles d’espace-temps. Parce que le couplage de force forte se stabilise à de plus grandes distances, il ne dépend plus de l’échelle de l’espace-temps, ce qui signifie que la force forte est conforme et AdS/CFT peut être appliqué. Bien que les théoriciens aient déjà appliqué AdS/CFT au QCD, ces données soutiennent l’utilisation de la technique.

« AdS/CFT nous a permis de résoudre des problèmes de QCD ou de gravité quantique qui étaient jusqu’à présent insolubles ou traités très grossièrement à l’aide de modèles peu rigoureux », a déclaré Deur. « Cela a donné de nombreuses idées passionnantes sur la physique fondamentale. »

Ainsi, bien que ces résultats aient été générés par des expérimentateurs, ils affectent le plus les théoriciens.

« Je crois que ces résultats sont une véritable percée pour l’avancement de la chromodynamique quantique et de la physique des hadrons », a déclaré Stanley Brodsky, professeur émérite au SLAC National Accelerator Laboratory et théoricien de la QCD. « Je félicite la communauté des physiciens du Jefferson Lab, en particulier le Dr Alexandre Deur, pour cette avancée majeure en physique. »

Des années se sont écoulées depuis que les expériences qui ont accidentellement porté ces résultats ont été menées. Une toute nouvelle suite d’expériences utilise désormais le faisceau de 12 GeV à plus haute énergie du Jefferson Lab pour explorer la physique nucléaire.

« Une chose dont je suis très heureux avec toutes ces expériences plus anciennes, c’est que nous avons formé de nombreux jeunes étudiants et qu’ils sont maintenant devenus des leaders d’expériences futures », a déclaré Chen.

Seul le temps dira quelles théories ces nouvelles expériences soutiennent.