La plupart des matières ordinaires sont maintenues ensemble par une colle subatomique invisible connue sous le nom de force nucléaire forte, l'une des quatre forces fondamentales de la nature, avec la gravité, électromagnétisme, et la force faible. La force nucléaire forte est responsable de la poussée et de l'attraction entre les protons et les neutrons dans le noyau d'un atome, qui empêche un atome de s'effondrer sur lui-même.

Dans les noyaux atomiques, la plupart des protons et des neutrons sont suffisamment éloignés les uns des autres pour que les physiciens puissent prédire avec précision leurs interactions. Cependant, ces prédictions sont remises en cause lorsque les particules subatomiques sont si proches qu'elles sont pratiquement les unes sur les autres.

Alors que de telles interactions à ultracourte distance sont rares dans la plupart des matières sur Terre, ils définissent les noyaux des étoiles à neutrons et d'autres objets astrophysiques extrêmement denses. Depuis que les scientifiques ont commencé à explorer la physique nucléaire, ils ont eu du mal à expliquer comment la force nucléaire puissante se joue à de telles distances ultracourtes.

Aujourd'hui, les physiciens du MIT et d'ailleurs ont pour la première fois caractérisé la force nucléaire forte, et les interactions entre protons et neutrons, à des distances extrêmement courtes.

Ils ont effectué une analyse approfondie des données sur les expériences précédentes sur les accélérateurs de particules, et a constaté qu'à mesure que la distance entre les protons et les neutrons diminue, une transition surprenante se produit dans leurs interactions. Où à de grandes distances, la force nucléaire forte agit principalement pour attirer un proton vers un neutron, à de très courtes distances, la force devient essentiellement aveugle :des interactions peuvent se produire non seulement pour attirer un proton vers un neutron, mais aussi pour repousser, ou séparer des paires de neutrons.

"C'est le premier regard très détaillé sur ce qui arrive à la force nucléaire forte à de très courtes distances, " dit Or Hen, professeur assistant de physicien au MIT. "Cela a des implications énormes, principalement pour les étoiles à neutrons et aussi pour la compréhension des systèmes nucléaires dans leur ensemble."

Hen et ses collègues ont publié leurs résultats dans la revue La nature . Ses co-auteurs incluent le premier auteur Axel Schmidt Ph.D. '16, un ancien étudiant diplômé et postdoctoral, avec l'étudiant diplômé Jackson Pybus, l'étudiant de premier cycle Adin Hrnjic et d'autres collègues du MIT, l'Université hébraïque, Université de Tel-Aviv, Université Old Dominion, et membres de la Collaboration CLAS, un groupe multi-institutionnel de scientifiques impliqués dans le CEBAF Large Accelerator Spectrometer (CLAS), un accélérateur de particules au Jefferson Laboratory à Newport News, Virginie.

Instantané de goutte d'étoile

Les interactions à très courte distance entre les protons et les neutrons sont rares dans la plupart des noyaux atomiques. Les détecter nécessite de marteler des atomes avec un grand nombre d'électrons de très haute énergie, dont une fraction pourrait avoir une chance d'expulser une paire de nucléons (protons ou neutrons) se déplaçant à grande vitesse, ce qui indique que les particules doivent interagir à des distances extrêmement courtes.

"Pour faire ces expériences, vous avez besoin d'accélérateurs de particules à courant incroyablement élevé, " dit Hen. "Ce n'est que récemment que nous avons la capacité de détection, et comprendre suffisamment bien les processus pour faire ce type de travail."

Hen et ses collègues ont recherché les interactions en exploitant les données précédemment collectées par CLAS, un détecteur de particules de la taille d'une maison au Jefferson Laboratory ; l'accélérateur JLab produit des faisceaux d'électrons d'une intensité et d'une énergie sans précédent. Le détecteur CLAS a été opérationnel de 1988 à 2012, et les résultats de ces expériences ont depuis été disponibles pour que les chercheurs recherchent d'autres phénomènes enfouis dans les données.

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont analysé une mine de données, équivalant à quelques quadrillions d'électrons frappant les noyaux atomiques dans le détecteur CLAS. Le faisceau d'électrons visait des feuilles en carbone, mener, aluminium, et le fer, chacun avec des atomes de divers rapports de protons aux neutrons. Lorsqu'un électron entre en collision avec un proton ou un neutron dans un atome, l'énergie à laquelle il se disperse est proportionnelle à l'énergie et à la quantité de mouvement du nucléon correspondant.

"Si je sais à quel point j'ai donné un coup de pied à quelque chose et à quelle vitesse il est sorti, Je peux reconstruire l'élan initial de la chose qui a été frappée, " explique Hen.

Avec cette approche générale, l'équipe a examiné les collisions d'électrons quadrillés et a réussi à isoler et à calculer la quantité de mouvement de plusieurs centaines de paires de nucléons de grande quantité. Hen compare ces paires à des "gouttelettes d'étoiles à neutrons, " comme leur élan, et leur distance inférée entre eux, est similaire aux conditions extrêmement denses dans le cœur d'une étoile à neutrons.

Ils ont traité chaque paire isolée comme un « instantané » et organisé les plusieurs centaines d'instantanés le long d'une distribution de quantité de mouvement. Au bas de cette distribution, ils ont observé une suppression des paires proton-proton, indiquant que la force nucléaire forte agit principalement pour attirer les protons vers les neutrons à un moment intermédiaire élevé, et de courtes distances.

Plus loin dans la distribution, ils ont observé une transition :il semblait y avoir plus de proton-proton et, par symétrie, paires neutron-neutron, suggérant que, à plus haute impulsion, ou des distances de plus en plus courtes, la force nucléaire forte n'agit pas seulement sur les protons et les neutrons, mais aussi sur les protons et les protons et les neutrons et les neutrons. Cette force d'appariement est considérée comme étant de nature répulsive, c'est-à-dire qu'à courte distance, les neutrons interagissent en se repoussant fortement.

"Cette idée d'un noyau répulsif dans la force nucléaire forte est quelque chose lancée comme cette chose mythique qui existe, mais nous ne savons pas comment y arriver, comme ce portail d'un autre royaume, " dit Schmidt. " Et maintenant nous avons des données où cette transition nous regarde en face, et c'était vraiment surprenant."

Les chercheurs pensent que cette transition dans la force nucléaire forte peut aider à mieux définir la structure d'une étoile à neutrons. Hen a déjà trouvé des preuves que dans le noyau externe des étoiles à neutrons, les neutrons s'apparient principalement aux protons par forte attraction. Avec leur nouvelle étude, les chercheurs ont trouvé des preuves que lorsque les particules sont entassées dans des configurations beaucoup plus denses et séparées par des distances plus courtes, la force nucléaire forte crée une force répulsive entre les neutrons qui, au coeur d'une étoile à neutrons, aide à empêcher l'étoile de s'effondrer sur elle-même.

Moins qu'un sac de quarks

L'équipe a fait deux découvertes supplémentaires. Pour un, leurs observations correspondent aux prédictions d'un modèle étonnamment simple décrivant la formation de corrélations à courte distance en raison de la force nucléaire forte. Pour un autre, contre les attentes, le noyau d'une étoile à neutrons peut être décrit strictement par les interactions entre protons et neutrons, sans avoir besoin de rendre compte explicitement des interactions plus complexes entre les quarks et les gluons qui composent les nucléons individuels.

Lorsque les chercheurs ont comparé leurs observations avec plusieurs modèles existants de la force nucléaire forte, ils ont trouvé une correspondance remarquable avec les prédictions d'Argonne V18, un modèle développé par un groupe de recherche du Laboratoire National d'Argonne, qui a considéré 18 façons différentes que les nucléons peuvent interagir, car ils sont séparés par des distances de plus en plus courtes.

Cela signifie que si les scientifiques veulent calculer les propriétés d'une étoile à neutrons, Hen dit qu'ils peuvent utiliser ce modèle Argonne V18 particulier pour estimer avec précision les fortes interactions de force nucléaire entre les paires de nucléons dans le noyau. Les nouvelles données peuvent également être utilisées pour comparer d'autres approches de modélisation du cœur des étoiles à neutrons.

Ce que les chercheurs ont trouvé le plus excitant, c'est que ce même modèle, comme il est écrit, décrit l'interaction des nucléons à des distances extrêmement courtes, sans prendre explicitement en compte les quarks et les gluons. Les physiciens avaient supposé que dans des régions extrêmement denses, environnements chaotiques tels que les noyaux d'étoiles à neutrons, les interactions entre neutrons devraient céder la place aux forces plus complexes entre quarks et gluons. Parce que le modèle ne prend pas en compte ces interactions plus complexes, et parce que ses prédictions à courte distance correspondent aux observations de l'équipe, Hen dit qu'il est probable que le noyau d'une étoile à neutrons puisse être décrit d'une manière moins compliquée.

"Les gens pensaient que le système est si dense qu'il devrait être considéré comme une soupe de quarks et de gluons, " explique Hen. " Mais nous trouvons même aux plus hautes densités, on peut décrire ces interactions à l'aide de protons et de neutrons; ils semblent garder leur identité et ne se transforment pas en ce sac de quarks. Ainsi, les noyaux des étoiles à neutrons pourraient être beaucoup plus simples qu'on ne le pensait. C'est une énorme surprise."