Par rapport au spectre de masse des mésons du côté gauche, et protons, les neutrons et les baryons du côté droit, il est clair que les pions sont très légers. Crédit :Kavli IPMU
En utilisant uniquement un stylo et du papier, un physicien théoricien a prouvé une affirmation vieille de plusieurs décennies selon laquelle une force puissante appelée Quantum Chromo Dynamics (QCD) conduit à des pions légers, rapporte une nouvelle étude publiée le 23 juin dans Lettres d'examen physique .
La force forte est responsable de beaucoup de choses dans notre Univers, de faire briller le soleil, à garder les quarks à l'intérieur des protons. Ceci est important car cela garantit que les protons et les neutrons se lient pour former les noyaux de chaque atome existant. Mais il y a encore beaucoup de mystère autour de la force puissante. La relation d'Einstein E=mc2 signifie qu'une force forte conduit à plus d'énergie, et plus d'énergie signifie une masse plus lourde. Mais les particules subatomiques appelées pions sont très légères. Sinon, les noyaux ne se lieraient pas, il n'y aurait pas d'autres atomes que l'hydrogène, et nous n'existerions pas. Pourquoi?
Lorsque les quarks ont été découverts expérimentalement en les frappant d'un proton avec des électrons énergétiques, les scientifiques ont proposé "l'explication" qu'une propriété de la force forte appelée confinement emprisonnait les quarks, les empêchant d'être observés directement. Cependant, le mystère demeurait que personne ne pouvait donner la preuve théorique qui dérivait du confinement de la CDQ.
Le lauréat du prix Nobel Yoichiro Nambu a proposé un concept appelé « bris de symétrie spontanée » qui était responsable de la création de particules essentiellement sans masse équivalentes aux pions. C'est pourquoi ces pions sont si légers (dans le monde réel, petite masse intrinsèque de quarks ne crée pas de particules complètement sans masse). Mais encore une fois, personne n'a pu démontrer que la théorie de la force forte, CDQ, réalise la brisure spontanée de symétrie proposée.
(À gauche) Si les pions étaient lourds, ils ne seraient pas capables de médiatiser une force forte entre deux protons, et en conséquence les protons s'éloigneraient les uns des autres. (À droite) Comment les pions légers dans le monde réel sont capables de lier deux protons ensemble en médiant une force puissante entre eux. En d'autres termes, si les pions n'étaient pas légers, les protons et les neutrons ne seraient pas capables de se lier pour former des noyaux, et les seuls atomes dans l'Univers seraient des atomes d'hydrogène à proton unique. Crédit :Kavli IPMU
Le chercheur principal de l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers (Kavli IPMU), Hitoshi Murayama, a donc résolu ce problème en utilisant une version de la théorie avec une amélioration mathématiquement élégante appelée supersymétrie. Pourtant, le monde réel n'a pas de supersymétrie. Murayama a approché le monde réel en utilisant une manière spécifique de briser la supersymétrie appelée médiation des anomalies qu'il a proposée en 1998.
Ce faisant, Murayama a réussi à montrer que la CDQ conduit en effet à des pions très légers, quelque chose qui avait été suggéré par des simulations numériques avec des supercalculateurs, mais techniquement impossible avec des quarks sans masse de répondre définitivement à la question.
Résumé de cette étude. (À gauche) En 1994, Nathan Seiberg et Edward Witten ont proposé un modèle avec une supersymétrie étendue pour montrer que le confinement était une conséquence de la dynamique chromo quantique (QCD). (À droite) En 1961, Yoichiro Nambu a proposé un concept de CDQ appelé brisure de symétrie chirale, qui a fourni une représentation du monde réel de la force forte. (Centre) En 2021, Hitoshi Murayama a utilisé la médiation des anomalies, que lui et ses collaborateurs ont proposé en 1998, briser la supersymétrie, lui permettant de connecter le modèle Seiberg et Witten au monde réel que Nambu avait proposé. Par conséquent, Murayama a pu trouver une preuve théorique de la prédiction de Nambu selon laquelle les pions sont légers car la rupture de la symétrie chirale se produit dans la CDQ. Crédit :Kavli IPMU
"J'ai toujours espéré comprendre comment fonctionne la force nucléaire forte pour que nous puissions exister. Je suis très heureux d'avoir réussi à prouver la théorie de Nambu de QCD qui a été si difficile pendant des décennies. Cela fait partie de ma longue quête pourquoi nous La physique n'est peut-être pas loin de répondre à cette question millénaire, " dit Murayama.
L'étude peut ouvrir de nouvelles voies à la dynamique d'étude des théories de jauge non supersymétriques.
