Vous êtes-vous déjà demandé comment le Soleil crée l'énergie que nous en tirons chaque jour et comment les autres éléments à côté de l'hydrogène se sont formés dans notre univers ? Peut-être savez-vous que cela est dû à des réactions de fusion où quatre noyaux d'hydrogène se réunissent pour produire un noyau d'hélium. De tels processus de nucléosynthèse sont possibles uniquement en raison de l'existence, en premier lieu, de deutérons stables, qui sont constitués d'un proton et d'un neutron. Sonder plus profondément, on constate qu'un deutéron est constitué de six quarks légers. De façon intéressante, l'interaction forte entre les quarks, qui apporte la stabilité aux deutérons, permet également diverses autres combinaisons de six quarks, conduisant à la formation possible de nombreux autres noyaux de type deutéron. Cependant, pas de tels noyaux, bien que théoriquement spéculé et recherché expérimentalement à plusieurs reprises, ont encore été observés.

Tout cela peut changer avec une nouvelle découverte passionnante, où, en utilisant un calcul des premiers principes de pointe de la chromodynamique quantique sur réseau (QCD), la théorie de base des interactions fortes, une prédiction précise de l'existence d'autres noyaux de type deutéron a été faite par les physiciens de TIFR. En utilisant la facilité de calcul de l'Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI), Le professeur Nilmani Mathur et le boursier postdoctoral Parikshit Junnarkar du Département de physique théorique ont prédit un ensemble de noyaux exotiques, qui ne se trouvent pas dans le tableau périodique. Les masses de ces nouveaux noyaux exotiques ont également été calculées avec précision.

Ces nouvelles particules subatomiques pourraient être constituées de six quarks lourds (charm et bottom) ou de quarks lourds et étranges. Ils sont stables contre la désintégration forte et électromagnétique, mais, contrairement au deutéron, ils peuvent se désintégrer par des interactions faibles. Étonnamment, on a constaté que la stabilité de tels noyaux augmente à mesure qu'ils deviennent plus lourds. Ces prédictions peuvent aider à découvrir ces nouvelles particules subatomiques dans des installations expérimentales.

Cela ouvre également la possibilité de l'existence de nombreux autres noyaux exotiques, qui peut être formé par la fusion de baryons lourds, similaire à la formation de noyaux d'éléments dans le tableau périodique. Dans de telles réactions, ces noyaux de type deutéron pourraient bien jouer le même rôle que le deutéron dans la nucléosynthèse. La formation de ces nouvelles particules subatomiques augmente également la possibilité d'un analogue au niveau des quarks de la fusion nucléaire, comme discuté récemment [ La nature 551, 89 (2017)]. La formation de certains de ces états par fusion est hautement exothermique, libérant une énergie aussi grande que 300 MeV/réaction—une possibilité passionnante pour la création d'énergie un jour dans le futur !

Prédire de nouvelles particules subatomiques, en particulier avec plus de trois quarks, par des calculs de premier principe exige un amalgame complexe entre la théorie et le calcul haute performance. Non seulement cela nécessite une compréhension sophistiquée des problèmes de théorie quantique des champs, mais la disponibilité de ressources de calcul à grande échelle est également cruciale. En fait, certaines des plus grandes ressources informatiques scientifiques au monde sont utilisées par les théoriciens de la jauge sur réseau, comme ceux du TIFR, qui tentent de résoudre le mystère des interactions fortes de notre Univers à travers leurs enquêtes à l'intérieur du femtoworld (c'est-à-dire, sur une échelle d'environ un million-milliardième de mètre). Les méthodes QCD sur réseau peuvent également jouer un rôle crucial dans la compréhension de la matière dans des conditions de température et de densité élevées similaires à celles des premiers stades de l'Univers après le Big Bang.