Les étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus denses connus de l'univers, résister à des pressions si fortes qu'une cuillère à café de matière stellaire équivaudrait à environ 15 fois le poids de la lune. Pourtant, il s'avère que les protons, les particules fondamentales qui composent la majeure partie de la matière visible dans l'univers, contiennent des pressions encore plus élevées.

Pour la première fois, Les physiciens du MIT ont calculé la distribution de pression d'un proton, et trouvé que la particule contient un noyau hautement pressurisé qui, à son point le plus intense, génère des pressions plus importantes que celles trouvées à l'intérieur d'une étoile à neutrons.

Ce noyau sort du centre du proton, tandis que la région environnante pousse vers l'intérieur. (Imaginez une balle de baseball essayant de se dilater à l'intérieur d'un ballon de football qui s'effondre.) Les pressions concurrentes agissent pour stabiliser la structure globale du proton.

Les résultats des physiciens, publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , représentent la première fois que des scientifiques ont calculé la distribution de pression d'un proton en prenant en compte les contributions des quarks et des gluons, le fondamental du proton, constituants subnucléaires.

« La pression est un aspect fondamental du proton que nous connaissons très peu pour le moment, " dit l'auteur principal Phiala Shanahan, professeur assistant de physique au MIT. "Maintenant, nous avons découvert que les quarks et les gluons au centre du proton génèrent une pression vers l'extérieur importante, et plus loin sur les bords, il y a une pression de confinement. Avec ce résultat, nous nous dirigeons vers une image complète de la structure du proton."

Shanahan a réalisé l'étude avec le co-auteur William Detmold, professeur agrégé de physique au MIT.

Quarks remarquables

En mai 2018, des physiciens du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l'Énergie ont annoncé qu'ils avaient mesuré la distribution de la pression du proton pour la première fois, à l'aide d'un faisceau d'électrons qu'ils ont tiré sur une cible faite d'hydrogène. Les électrons ont interagi avec les quarks à l'intérieur des protons de la cible. Les physiciens ont ensuite déterminé la répartition de la pression dans tout le proton, en fonction de la manière dont les électrons se sont dispersés à partir de la cible. Leurs résultats ont montré un centre de haute pression dans le proton qui, à son point de pression la plus élevée, mesurait environ 10 ³⁵ pascal, ou 10 fois la pression à l'intérieur d'une étoile à neutrons.

Cependant, Shanahan dit que leur image de la pression du proton était incomplète.

"Ils ont trouvé un résultat assez remarquable, " dit Shanahan. " Mais ce résultat était soumis à un certain nombre d'hypothèses importantes qui étaient nécessaires en raison de notre compréhension incomplète. "

Spécifiquement, les chercheurs ont basé leurs estimations de pression sur les interactions des quarks d'un proton, mais pas ses gluons. Les protons sont constitués à la fois de quarks et de gluons, qui interagissent en permanence de manière dynamique et fluctuante à l'intérieur du proton. L'équipe du Jefferson Lab n'a pu déterminer les contributions des quarks qu'avec son détecteur, ce qui, selon Shanahan, laisse de côté une grande partie de la contribution à la pression d'un proton.

« Au cours des 60 dernières années, nous avons acquis une assez bonne compréhension du rôle des quarks dans la structure du proton, " dit-elle. " Mais la structure du gluon est loin, beaucoup plus difficile à comprendre car il est notoirement difficile à mesurer ou à calculer. »

Un décalage gluon

Au lieu de mesurer la pression d'un proton à l'aide d'accélérateurs de particules, Shanahan et Detmold ont cherché à inclure le rôle des gluons en utilisant des superordinateurs pour calculer les interactions entre les quarks et les gluons qui contribuent à la pression d'un proton.

« À l'intérieur d'un proton, il y a un vide quantique bouillonnant de paires de quarks et d'antiquarks, ainsi que les gluons, apparaissant et disparaissant, " dit Shanahan. "Nos calculs incluent toutes ces fluctuations dynamiques."

Pour faire ça, l'équipe a utilisé une technique en physique connue sous le nom de QCD sur réseau, pour la chromodynamique quantique, qui est un ensemble d'équations qui décrit la force forte, l'une des trois forces fondamentales du modèle standard de la physique des particules. (Les deux autres sont la force faible et la force électromagnétique.) La force forte est ce qui lie les quarks et les gluons pour finalement former un proton.

Les calculs QCD sur réseau utilisent une grille à quatre dimensions, ou en treillis, de points pour représenter les trois dimensions de l'espace et une du temps. Les chercheurs ont calculé la pression à l'intérieur du proton en utilisant les équations de la chromodynamique quantique définies sur le réseau.

« C'est extrêmement exigeant en termes de calcul, nous utilisons donc les supercalculateurs les plus puissants au monde pour faire ces calculs, " explique Shanahan.

L'équipe a passé environ 18 mois à exécuter diverses configurations de quarks et de gluons à travers plusieurs supercalculateurs différents, puis déterminé la pression moyenne en chaque point à partir du centre du proton, jusqu'à son bord.

Par rapport aux résultats du Jefferson Lab, Shanahan et Detmold ont découvert que, en incluant la contribution des gluons, la distribution de la pression dans le proton s'est déplacée de manière significative.

« Nous avons examiné pour la première fois la contribution des gluons à la distribution de la pression, et nous pouvons vraiment voir que par rapport aux résultats précédents le pic est devenu plus fort, et la distribution de pression s'étend plus loin du centre du proton, " dit Shanahan.

En d'autres termes, il apparaît que la pression la plus élevée dans le proton est d'environ 10 ³⁵ pascal, soit 10 fois celui d'une étoile à neutrons, similaire à ce que les chercheurs du Jefferson Lab ont rapporté. La région de basse pression environnante s'étend plus loin que prévu.

Confirmer ces nouveaux calculs nécessitera des détecteurs beaucoup plus puissants, comme le collisionneur électron-ion, un accélérateur de particules proposé que les physiciens visent à utiliser pour sonder les structures internes des protons et des neutrons, plus en détail que jamais, y compris les gluons.

« Nous en sommes aux premiers jours de la compréhension quantitative du rôle des gluons dans un proton, " dit Shanahan. " En combinant la contribution des quarks mesurée expérimentalement, avec notre nouveau calcul du morceau de gluon, nous avons la première image complète de la pression du proton, qui est une prédiction qui peut être testée sur le nouveau collisionneur au cours des 10 prochaines années."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.