Les protons chargés positivement dans les noyaux atomiques devraient en fait se repousser, et pourtant, même les noyaux lourds contenant de nombreux protons et neutrons se collent les uns aux autres. L'interaction dite forte en est responsable. La professeure Laura Fabbietti et son groupe de recherche à l'Université technique de Munich (TUM) ont maintenant développé une méthode pour mesurer avec précision l'interaction forte en utilisant des collisions de particules dans l'expérience ALICE au CERN à Genève.

L'interaction forte est l'une des quatre forces fondamentales de la physique. Il est essentiellement responsable de l'existence de noyaux atomiques constitués de plusieurs protons et neutrons. Les protons et les neutrons sont constitués de particules plus petites, les soi-disant quarks. Et eux aussi sont maintenus ensemble par l'interaction forte.

Dans le cadre du projet ALICE (A Large Ion Collider Experiment) au CERN à Genève, La professeure Laura Fabbietti et son groupe de recherche à l'Université technique de Munich ont maintenant développé une méthode pour déterminer avec une grande précision les forces qui agissent entre les protons et les hypérons, des particules instables comprenant des quarks dits étranges.

Les mesures ne sont pas seulement révolutionnaires dans le domaine de la physique nucléaire, mais aussi la clé pour comprendre les étoiles à neutrons, l'un des objets les plus énigmatiques et fascinants de notre univers.

Comparaison entre théorie et expérience

L'un des plus grands défis de la physique nucléaire aujourd'hui est de comprendre l'interaction forte entre les particules avec un contenu en quarks différent des premiers principes, C'est, partant de l'interaction forte entre les constituants des particules, les quarks et les gluons, qui transmettent la force d'interaction.

La théorie de l'interaction forte peut être utilisée pour déterminer la force de l'interaction. Cependant, ces calculs ne fournissent pas de prédictions fiables pour les nucléons normaux avec les quarks up et down, mais pour les nucléons contenant des quarks lourds, tels que les hypérons qui contiennent un ou plusieurs quarks étranges.

Les expériences pour déterminer l'interaction forte sont extrêmement difficiles car les hypérons sont des particules instables qui se désintègrent rapidement après la production. Cette difficulté a jusqu'à présent empêché une comparaison significative entre la théorie et l'expérience. La méthode de recherche déployée par le Pr Laura Fabbietti ouvre désormais la porte à des études de haute précision de la dynamique de la force forte au Large Hadron Collider (LHC).

Mesure de la force forte même pour l'hypéron le plus rare

Il y a quatre ans, Pr Fabbietti, professeur de matière hadronique dense et étrange à la TUM, proposé d'employer une technique appelée femtoscopie pour étudier l'interaction forte à l'expérience ALICE. La technique permet d'étudier des échelles spatiales proches de 1 femtomètre (10^-15 mètres) - environ la taille d'un proton - et la portée spatiale de l'action de force forte.

Pendant ce temps, Le groupe du professeur Fabbietti au TUM a réussi non seulement à analyser les données expérimentales pour la plupart des combinaisons hypéron-nucléon, ils ont également réussi à mesurer l'interaction forte pour le plus rare de tous les hypérons, l'Oméga, composé de trois quarks étranges. Par ailleurs, le groupe a également développé son propre cadre capable de produire des prédictions théoriques.

"Mon groupe TUM a ouvert une nouvelle voie pour la physique nucléaire au LHC, celui qui implique tous les types de quarks, atteindre une précision inattendue dans un endroit que personne n'a regardé jusqu'ici, » précise le Pr Fabbietti. L'ouvrage publié aujourd'hui dans « Nature » ne présente que quelques-unes des nombreuses interactions mesurées pour la première fois.

Les étoiles à neutrons contiennent-elles des hypérons ?

Comprendre l'interaction entre les hypérons et les nucléons est également extrêmement important pour tester l'hypothèse de savoir si les étoiles à neutrons contiennent des hypérons. Les forces qui existent entre les particules ont une influence directe sur la taille d'une étoile à neutrons.

Jusque là, la relation entre la masse et le rayon d'une étoile à neutrons est inconnue. À l'avenir, Les travaux du Pr Fabbietti permettront donc également de résoudre l'énigme des étoiles à neutrons.