Un peu comme deux voisins sympathiques qui se réunissent pour discuter autour d'une tasse de café, les minuscules particules de notre monde subatomique se réunissent également pour engager une sorte de conversation. Maintenant, les scientifiques nucléaires développent des outils pour leur permettre d'écouter les festivités des particules et d'en apprendre davantage sur la façon dont elles s'associent pour construire notre univers visible.

Jozef Dudek est membre du personnel scientifique du Jefferson Lab du département américain de l'Énergie (DOE) et professeur adjoint de physique à William &Mary. Lui et ses collègues ont récemment effectué les premiers calculs complexes d'une particule appelée sigma. Ils ont publié le résultat dans Lettres d'examen physique en janvier.

"Le sigma est souvent considéré comme faisant partie de la force qui maintient les protons et les neutrons ensemble dans le noyau, " expliqua Dudek. " Vous pouvez penser qu'il y a une force entre un proton et un neutron, ce qui est dû à l'échange de particules entre eux. L'une des particules qu'un proton et un neutron peuvent échanger est le sigma."

Cet échange de particules sigma par des protons et des neutrons leur permet de communiquer grâce à la force forte. La force forte est la force de la nature qui lie les protons et les neutrons en noyaux. En réalité, la force forte est également responsable de la formation de protons et de neutrons.

Après des décennies de fouille au cœur de la matière pour découvrir ses éléments constitutifs, Jusqu'à présent, les physiciens nucléaires ont découvert que les plus petits morceaux de matière sont des quarks. Il faut trois quarks pour construire un proton (et trois pour construire un neutron). Ces quarks sont liés entre eux par la force forte, à nouveau à travers une conversation entre quarks qui se manifeste par l'échange de particules. Dans ce cas, les quarks échangent de la « colle » à force élevée, des particules appelées gluons.

Donc, si les particules sont capables de converser directement via l'échange de gluons de force forte, où est-ce que cela laisse le sigma ? Il s'avère que si un proton et un neutron sont très proches l'un de l'autre, ils peuvent tenir leur conversation avec un simple échange de gluons. Mais dans un noyau spacieux, il faut d'autres particules, y compris le sigma, pour converser efficacement.

"A de plus grandes distances, il est logique de penser à l'échange de mésons entre nucléons, où les mésons sont construits à partir de quarks et de gluons eux-mêmes, mais en quelque sorte emballés dans des paquets confinés, " Dit Dudek .

Ces « paquets confinés » peuvent être le sigma, qui est un méson constitué de quarks et de gluons, ou un autre méson appelé le pion, familière aux physiciens comme une particule que l'on trouve souvent autour du noyau.

Pour tout mettre ensemble, les protons et les neutrons peuvent l'échanger via l'échange de gluons à courte distance, mésons sigma à moyenne distance et pions à plus grande distance.

Calculer le cœur de la matière

Si tout cela semble plutôt compliqué, c'est parce que c'est. Dudek et ses collègues sont les premiers à calculer la particule sigma directement à partir de la théorie qui décrit la force forte, les particules qui interagissent à travers cette force et la nature de ces interactions. Cette théorie est appelée chromodynamique quantique ou simplement QCD.

En réalité, ces calculs étaient si compliqués, des supercalculateurs étaient nécessaires pour accomplir l'exploit.

Selon Robert Edwards, un scientifique senior du Jefferson Lab's Center for Theoretical and Computational Physics, les calculs QCD ont nécessité l'effort dédié de plusieurs supercalculateurs.

La première partie des calculs a été effectuée sur Titan, un supercalculateur basé à Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science au DOE's Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee, et le supercalculateur Blue Waters de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Edwards a déclaré que ces premiers calculs ont été utilisés pour développer des instantanés de l'environnement des particules subatomiques, ou le "vide" de l'espace décrit par QCD.

"Le vide n'est pas un lieu vide, c'est bouillonnant d'énergie, " explique Edwards. " Et l'énergie se manifeste sous forme de fluctuations électriques et magnétiques, qui peut être considéré comme la colle de la force forte. Donc, ce que QCD fait, c'est regarder la force de ces champs à chaque point de l'espace."

Ces instantanés du vide fluctuant peuvent être imaginés comme la surface d'un étang sur lequel il pleut, avec les gouttes de pluie causant des ondulations sur l'étang. Chaque cliché de la surface du bassin correspond à un cliché du vide. Il a déclaré que 485 instantanés avaient été générés par le supercalculateur Titan.

Regarder les scénarios se dérouler

Pour la deuxième partie des calculs, des quarks ont été ajoutés à l'instantané. Lorsque les quarks se déplacent dans le vide, ils réagissent à leur environnement. Leurs mouvements possibles, appelés "propagateurs, " ont été calculés à l'aide des supercalculateurs Titan et Blue Waters. Pour chaque instantané du vide, 800, 000 de ces propagateurs ont été calculés.

Avec les propagateurs en place, plusieurs scénarios différents ont ensuite été posés sur la manière dont des quarks spécifiques interagiront les uns avec les autres lors de leur propagation dans le temps. Pour chaque scénario, le supercalculateur calcule la probabilité au sein de la théorie de la CDQ que les quarks sont susceptibles d'interagir d'une certaine manière.

"Nous devons évaluer une quantité appelée fonction de corrélation. La fonction de corrélation dit que vous avez une configuration de quarks, et tu regardes la propagation à mesure qu'ils traversent le temps, " explique Edwards. " Cette fonction de corrélation mesure efficacement la corrélation, ou sa force, entre sa configuration initiale de quarks et sa configuration finale de quarks."

Poursuivant notre analogie des gouttes de pluie sur l'étang, imaginez maintenant qu'un canard en caoutchouc a été ajouté à l'étang. Les calculs de la fonction de corrélation déterminent la probabilité que le canard en caoutchouc flotte d'un point à un autre sur l'étang.

Chacune des 485 configurations a été simulée plusieurs fois pour déterminer la probabilité de chaque scénario, donnant environ 15 millions de résultats à des fins de comparaison. Les calculs ont été effectués sur le cluster LQCD de Jefferson Lab au printemps et à l'été 2016.

Sigma prend vie

Après avoir compilé tous les calculs, les chercheurs ont découvert que si les bons quarks sont présents, le sigma peut, En effet, être généré par la force forte.

Après des décennies de brefs aperçus de l'existence éphémère du sigma à partir des données expérimentales montrant ses effets sur d'autres particules subatomiques, Dudek et Edwards disent que ce calcul donne maintenant aux scientifiques une nouvelle façon d'étudier cette particule insaisissable.

« C'est vraiment un premier pas vers la compréhension de ce qu'est le sigma. Existe-t-il vraiment dans la théorie ? Apparemment, Cela fait, " expliqua Dudek.

Les propriétés du sigma dans leurs calculs semblent correspondre à ce que les scientifiques attendent des propriétés du sigma du monde réel. Quoi de plus, maintenant que ces calculs ont démontré qu'il est possible d'appliquer des superordinateurs aux calculs d'une particule insaisissable comme le sigma, cela pourrait bien ouvrir la porte à des calculs d'autres particules à courte durée de vie.

"Nous avons démontré que nous pouvons montrer qu'il existe au sein de QCD. Maintenant, les questions sont :qu'est-ce que c'est ? Comment se forme-t-il ? Pourquoi cette chose existe-t-elle ? Y a-t-il un moyen de le comprendre simplement ?" Dit Dudek. " Pouvons-nous répondre à ces questions, maintenant que nous avons une technique rigoureuse pour étudier au sein de QCD cet objet ? Et c'est quelque chose pour l'avenir."

Et l'étude de l'insaisissable sigma peut permettre aux chercheurs d'avoir un premier aperçu de cette facette de la force puissante qui n'existe qu'au plus profond du cœur de la matière. Cela peut leur offrir une chance d'écouter, si vous voulez, sur la force alors qu'elle s'acquitte de son travail de construction de notre univers.