Les scientifiques ont développé une théorie révolutionnaire pour calculer ce qui se passe à l'intérieur d'un proton voyageant à la vitesse de la lumière.

Depuis plus de 2, 000 ans, les scientifiques pensaient que l'atome était la plus petite particule possible. Puis, ils ont découvert qu'il a un noyau composé de protons et de neutrons entourés d'électrons. Après ça, ils ont découvert que les protons et les neutrons eux-mêmes ont un monde intérieur complexe rempli de quarks et d'antiquarks maintenus ensemble par une force de type superglue créée par les gluons.

"Les protons et les neutrons constituent plus de 99% de l'univers visible, signifiant tout, des galaxies et des étoiles à nous, " dit Yong Zhao, un physicien au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE). "Encore, il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas sur la riche vie intérieure des protons ou des neutrons."

Zhao a co-écrit un article sur une méthode innovante de calcul de la structure des quarks et des gluons d'un proton se déplaçant à la vitesse de la lumière. Le nom de la création de l'équipe est la théorie efficace à grand élan, LaMET pour faire court, qui fonctionne conjointement avec une théorie appelée chromodynamique quantique sur réseau (QCD).

Le proton est minuscule - environ 100, 000 fois plus petit qu'un atome, les physiciens le modélisent donc souvent comme un point sans dimensions. Mais ces nouvelles théories peuvent prédire ce qui se passe dans le proton de la vitesse de la lumière comme s'il s'agissait d'un corps en trois dimensions.

Le concept de quantité de mouvement est vital non seulement pour LaMET mais aussi pour la physique en général. Elle est égale à la vitesse d'un objet multipliée par sa masse.

Il y a plus d'un demi-siècle, Zhao a expliqué, un modèle de quark simple par les physiciens Murray Gell-Mann et George Zweig a découvert une partie de la structure interne du proton au repos (pas de quantité de mouvement). De ce modèle, les scientifiques ont représenté le proton comme composé de trois quarks et ont prédit leurs propriétés essentielles, comme la charge électrique et le spin.

Des expériences ultérieures avec des protons accélérés à une vitesse proche de la vitesse de la lumière ont démontré que le proton est encore plus complexe qu'on ne le pensait à l'origine. Par exemple, il contient d'innombrables particules qui interagissent les unes avec les autres, pas seulement trois quarks liés par des gluons. Et les gluons peuvent brièvement se transformer en paires quark-antiquark avant de se détruire et de redevenir un gluon. Des accélérateurs de particules comme celui du laboratoire national des accélérateurs Fermi du DOE ont produit la plupart de ces résultats.

« Quand vous accélérez le proton et que vous le heurtez à une cible, c'est alors que la magie opère en termes de révélation de ses nombreux mystères, " dit Zhao.

Environ cinq ans après que le modèle simple des quarks ait secoué la communauté des physiciens, un modèle proposé par Richard Feynman a représenté le proton se déplaçant à une vitesse proche de la lumière comme un faisceau transportant un nombre infini de quarks et de gluons se déplaçant dans la même direction. Il a appelé ces particules "partons". Son modèle de parton a inspiré les physiciens à définir un ensemble de quantités qui décrivent la structure 3D du proton. Les chercheurs pourraient ensuite mesurer ces quantités dans des expériences dans des accélérateurs de particules.

Des calculs antérieurs avec la meilleure théorie disponible à l'époque (CQD sur réseau) ont fourni des détails éclairants sur la distribution des quarks et des gluons dans le proton. Mais ils présentaient une grave lacune :ils ne pouvaient pas distinguer avec précision les partons rapides et lents.

La difficulté était que la QCD sur réseau ne pouvait calculer que les propriétés du proton qui ne dépendent pas de sa quantité de mouvement. Mais appliquer le modèle de parton de Feynman à la QCD sur réseau nécessite de connaître les propriétés d'un proton avec une quantité de mouvement infinie, ce qui signifie que les particules de protons doivent toutes voyager à la vitesse de la lumière. Combler partiellement ce manque de connaissances, LaMET fournit une recette pour calculer la physique des partons à partir de la QCD sur réseau pour une quantité de mouvement importante mais finie.

« Nous avons développé et affiné LaMET au cours des huit dernières années, " a déclaré Zhao. "Notre article résume ce travail."

Fonctionnant sur des supercalculateurs, les calculs QCD sur réseau avec LaMET génèrent des prédictions nouvelles et améliorées sur la structure du proton de la vitesse de la lumière. Ces prédictions peuvent ensuite être mises à l'épreuve dans une nouvelle installation unique en son genre appelée collisionneur électron-ion (EIC). Cette installation est en cours de construction au laboratoire national de Brookhaven du DOE.

"Notre LaMET peut également prédire des informations utiles sur des quantités extraordinairement difficiles à mesurer, " dit Zhao. " Et avec des supercalculateurs assez puissants, dans certains cas, nos prédictions pourraient même être plus précises que ce qu'il est possible de mesurer à l'EIC."

Grâce à une meilleure compréhension de la structure 3D quark-gluon de la matière à l'aide de la théorie et des mesures EIC, les scientifiques sont sur le point d'obtenir une image beaucoup plus détaillée du proton. Nous entrerons alors dans une nouvelle ère de la physique des partons.

Cette recherche a été publiée dans Critiques de la physique moderne dans un article intitulé « Théorie efficace à grande dynamique ». Outre Zhao, les auteurs incluent Xiangdong Ji (Université du Maryland), Yizhuang Liu (Université Jagellonne), Yu-Sheng Liu (Université Jiao Tong de Shanghai) et Jian-Hui Zhang (Université normale de Pékin).