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André
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 Posté le: Ven 04 Jan 2013 1:06 am Sujet du message: Voir les quarks et les gluons dans le proton : une gageure r |
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Voir les quarks et les gluons dans le proton : une gageure relevée par des chercheurs du NCBJ et de l'Ecole polytechnique
Salut à tous
Des physiciens du Centre National pour la recherche nucléaire (NCBJ) de Swierk et de l'Ecole Polytechnique (EP) à Palaiseau ont analysé des cas spécifiques de collisions électron-proton afin de concevoir une expérience qui pourrait fournir de nouvelles données sur la structure spatiale interne des protons.
Image statistique de la structure interne d'un proton. U = les deux quarks 'up ' de valence. D = le quark 'down' de valence.
Crédits : NCBJ de Swierk
A quoi ressemble l'intérieur d'un proton ? Nous devrions bientôt le savoir grâce à une nouvelle technique de tomographie proton extrêmement précise mise au point grâce aux travaux théoriques des physiciens du NCBJ de Swierk et de l'Ecole Polytechnique de Palaiseau.
Les résultats de leurs recherches ont permis de planifier une expérience qui devrait produire des coupes transversales d'image de protons. L'expérience doit être effectuée à l'aide d'un accélérateur disponible au Thomas Jefferson National Accelerator Facility aux Etats-Unis.
Rappelons que tous les protons et les neutrons, constituants du noyau des atomes, sont composés de trois quarks appelés 'quarks de valence' entourés d'une mer de quarks, d'antiquarks et de gluons : ces 3 quarks de valence sont deux quarks de type "up" et un quark de type "down" dans un proton, deux "down" et un "up" dans un neutron.
Les quarks sont liés entre eux par les interactions nucléaires fortes qui s'expriment par des échanges de gluons. Quarks et gluons sont des particules élémentaires décrites par la chromodynamique quantique [1].
Selon cette théorie, le champ de gluons à l'intérieur d'un proton est tellement puissant qu'il empêche les quarks de s'échapper. "Un champ de gluon extrêmement puissant crée sans cesse des paires quark-antiquark qui s'annihilent presque instantanément.
Ainsi, l'intérieur de chaque proton est un océan bouillonnant de quarks et de gluons virtuels "- explique le Dr Jakub Wagner (NCBJ) qui - avec le Pr Lech Szymanowski (NCBJ) et le Pr Bernard Pire (Centre de Physique Théorique, Ecole Polytechnique et CNRS) - travaillent sur les fondements théoriques de cette nouvelle expérience.
La présence de quarks et de gluons à l'intérieur de chaque proton semble être un concept très abstrait car on ne peut les observer que très indirectement. Cependant, leurs effets sont omniprésents.
La masse des électrons et des quarks au sein des atomes est contrôlée par le fameux mécanisme de Higgs, responsable de la masse des particules élémentaires.
Comme les électrons sont près de 2000 fois plus légers que les protons et les neutrons, la masse de chaque atome est presque entièrement concentrée dans son noyau.
"Toutefois, la masse totale des trois quarks de valence est inférieure à 5% de la masse réelle du proton.
Le reste est constitué par l'océan de quarks et de gluons en ébullition à l'intérieur de chaque proton et neutron ", ajoute le Dr Wagner.
Il y a aussi d'autres raisons pour lesquelles les physiciens s'intéressent tellement à la structure interne du proton. L'origine du spin [2] des protons est peut-être la plus importante d'entre elles. Le spin de chaque particule quantique est une expression de son mouvement de rotation intrinsèque.
"Une particule élémentaire est comme une toupie qui ne s'arrêterait jamais de tourner", précise Bernard Pire.
Le spin de chaque proton ou neutron est (dans les unités appropriées) de +1/2, un résultat qu'il faudrait comprendre compte tenu du fait que le spin de chaque quark est également de +1/2, et que celui des gluons est le double.
Comment contribuent quarks et gluons portant diverses fractions d'énergie à ce spin total du proton ?
Les calculs théoriques en chromodynamique quantique sont si compliqués que personne n'a jamais réussi à résoudre ce problème. Les expériences dans lesquelles l'origine du spin du proton est étudiée incluent l'expérience COMPASS de l'accélérateur SPS du CERN, dans lesquelles les physiciens du NCBJ sont impliqués.
D'autres expériences permettent d'étudier l'intérieur des protons. Certains physiciens se sont intéressés aux collisions électron-proton au cours desquelles des photons étaient émis.
Les particules entrant en collision et les photons émis lors de ces collisions ont été mesurés et une quantité suffisante de données a été acquise au fil du temps pour recréer la distribution des quarks dans les protons entrés en collision.
Les distributions transversales obtenues pourraient être interprétées par des images transversales de protons reconstruites à partir d'un traitement mathématique adéquat des données expérimentales ; on aurait ainsi accès à une espèce de tomographie dont l'échelle de résolution serait inférieure au femtomètre (le femtomètre est le milliardième de micromètre).
"Des images de la structure interne des protons sont recrées à partir de nombreuses observations. Par conséquent, elles ne sont 'vraies' que dans le sens statistique du terme"- souligne le Dr Wagner.
Ce principe peut être illustré comme ceci : supposons que nous avons pris de nombreuses photos de haute résolution de la Terre à partir de la Lune.
Chaque photo révèle de nombreux satellites, mais il serait difficile de deviner sur la base d'un seul cliché comment ces satellites sont organisés.
Cependant, si nous rassemblons de nombreuses photos, nous pouvons facilement distinguer deux couches de satellites : une sphère plutôt riche en satellites en orbite basse, et un cercle de satellite
s géostationnaires "suspendus" au-dessus de l'équateur. L'espace entre les deux couches serait pratiquement vide.
Les prédictions élaborées par les théoriciens du NCBJ et de l'Ecole Polytechnique seront peut-être vérifiées grâce à cette nouvelle expérience. Elle sera menée à bien dans quelques années dans le laboratoire Jefferson, l'un des plus grands laboratoires du monde impliqué dans la recherche en physique nucléaire.
"Nous travaillons également sur d'autres expériences destinées à d'autres laboratoires, y compris l'accélérateur de Brookhaven à New-York. Peut-être que l'une des expériences sera menée en coopération avec du LHC du CERN"- ajoute le Dr Wagner.
Les expériences prévues dans le laboratoire Jefferson débuteront une fois l'accélérateur modernisé.
Vont-elles répondre à la question de savoir quelle partie du spin des protons est à l'origine de la dynamique quarks / gluons ? "La réponse sera connue dans quelques années si les détecteurs sophistiqués mis au point par nos collègues expérimentateurs tiennent leurs promesses" assure Bernard Pire.
Ces travaux théoriques ont été financés par une subvention du Centre National de la Science (l'équivalent polonais de l'ANR pour les domaines scientifiques théoriques) et par le programme de collaboration polono-français POLONIUM.
[1] Théorie chromodynamique quantique : La chromodynamique quantique (ou QCD, de l'anglais Quantum ChromoDynamics), est une théorie physique qui décrit les interactions fortes responsables du confinement des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques.
[2] Spin : Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui la caractérise, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Elle permet de caractériser le comportement de la particule sous l'effet de la symétrie de rotation de l'espace.
Pour en savoir plus, contacts :
- Bernard PIRE, Directeur de recherche au CNRS et Directeur du Centre de Physique Théorique de l'Ecole Polytechnique à Palaiseau - MEL : bernard.pire@cpht.polytechnique.fr - TEL : 0033.1.69.33.42.29
- Lech SZYMANOWSKI, Professeur au département de physique théorique du NCBJ - MEL : lechszym@fuw.edu.pl - TEL : 0048.225.532.275
- Thomas Jefferson National Accelerator Facility: http://www.jlab.org/
- Partenariat Hubert Curien POLONIUM : http://redirectix.bulletins-electroniques.com/WR0ds
Code brève
ADIT : 71861
Sources :
- Site internet du NCBJ (en anglais) : http://www.ncbj.gov.pl/en
- Centre de physique théorique - UMR 7644 : http://www.cpht.polytechnique.fr/
Rédacteurs :
Lech SZYMANOWSKI, Bernard PIRE et Vincent GALAND, Ambassade de France en Pologne - MEL : vincent.galand@diplomatie.gouv.fr - TEL : 0048.69.003.70.28. Retrouvez toutes nos informations et activités sur http://institutfrancais.pl/sciences-universites/. Pour s'abonner au BE : http://www.bulletins-electroniques.com/emailix/abonnements.htm
Origine :
BE Pologne numéro 21 (21/12/2012) - Ambassade de France en Pologne / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/71861.htm
Amicalement
_________________
Etrange époque où il est plus facile de désintégrer l' atome que de vaincre un préjugé.
Einstein, Albert, |
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