Progrès dans la compréhension de la sous-structure des quarks des scalaires

A ce stade de l’évolution de l’univers (environ 14 milliards d’années après le big bang), quatre forces fondamentales en action provoquent des interactions entre les constituants de la matière.

L’une de ces forces est la gravité qui, par exemple, nous permet de tourner autour du soleil et de pouvoir profiter des quatre saisons. Un autre est la force électromagnétique qui nous profite chaque jour. De l’ampoule que nous allumons chaque nuit à la dynamique des électrons à l’intérieur de nos appareils électroniques, ils sont tous entraînés par la force électromagnétique. Les deux autres forces ne sont pas aussi souvent remarquées dans la vie quotidienne, mais cela ne signifie pas qu’elles sont moins importantes.

Ces deux forces sont confinées dans le noyau des atomes (distances autour de 10-15 m ou moins) et sont traditionnellement appelées « forces nucléaires ». L’une d’elles est la force nucléaire forte (la plus puissante des quatre forces) qui est chargée de maintenir le noyau intact en liant ses protons et ses neutrons ensemble.

Sans la force nucléaire forte, les noyaux ne se formeraient pas, nous n’existerions pas et le ciel serait vide. L’autre est la force nucléaire faible qui est chargée de transformer un noyau en un autre et parfois de les briser. Nous bénéficions des effets de la force nucléaire faible dans nos réacteurs nucléaires.

Les protons et les neutrons font partie d’une grande famille de particules composites appelées hadrons, et ils sont tous constitués de particules fondamentales appelées quarks. La théorie qui décrit l’interaction forte des quarks s’appelle la chromodynamique quantique (QCD), selon laquelle les quarks s’engagent dans une interaction forte en échangeant des particules médiatrices appelées gluons.

Ceci est similaire à la façon dont les particules chargées fondamentales s’engagent dans une interaction électromagnétique en échangeant des photons dans la théorie de l’électrodynamique quantique (QED). Cependant, il existe des différences majeures entre QCD et QED, comme, par exemple, le fait que les photons ne peuvent pas former d’états liés mais que les gluons, en principe, peuvent se lier et former des composites appelés boules de glu.

La compréhension théorique de la formation et des interactions des boules de glu avec la matière des quarks, ainsi que leur détection expérimentale, sont des objectifs ambitieux d’une complexité redoutable. Malgré plusieurs prix Nobel de physique déjà décernés pour les découvertes remarquables en physique des particules liées à la QCD, certains aspects restent des questions ouvertes et défient la physique théorique depuis de nombreuses décennies. Ce problème est reconnu par le Clay Mathematics Institute (www.claymath.org) comme l’un des sept problèmes non résolus en mathématiques, connus sous le nom de Millennium Problems in Mathematics.

Les principales recherches d’Amir Fariborz portent sur l’interaction forte des quarks et leurs interactions avec les boules de glu. Les modèles développés par Fariborz et ses collaborateurs ont largement réussi à décrire les données expérimentales et ont reçu des citations notables dans la littérature. De plus amples informations sur les recherches de Fariborz sont disponibles dans la base de données Inspire de la littérature sur la physique des hautes énergies.

Dans cet article récent publié dans La revue physique européenne C le modèle sigma linéaire généralisé de QCD (développé par Fariborz et al) est appliqué à la diffusion de deux types particuliers de hadrons appelés pion (π) et êta (η). Cette diffusion est particulièrement importante car elle sonde un état composite intermédiaire [called a0980] qui fait partie d’une famille de hadrons appelés mésons scalaires.

Ces particules composites de quarks jouent un rôle particulier en QCD en brisant une symétrie dans les équations dynamiques appelée symétrie chirale. La compréhension de la sous-structure des quarks des scalaires met en lumière la forte interaction des quarks et des gluons. Ces travaux récents ont confirmé que les mésons scalaires légers contiennent une importante composante à quatre quarks, une caractéristique qui place les mésons scalaires dans la catégorie difficile de la spectroscopie hadronique exotique.