Essayez d'imaginer un proton - la minuscule particule chargée positivement dans un noyau atomique - et vous pouvez imaginer un schéma classique et familier :un faisceau de boules de billard représentant les quarks et les gluons. Du modèle de sphère solide proposé pour la première fois par John Dalton en 1803 au modèle quantique proposé par Erwin Schrödinger en 1926, il existe une chronologie historique de physiciens essayant de visualiser l'invisible.

Maintenant, le professeur de physique du MIT Richard Milner, les physiciens du Jefferson Laboratory Rolf Ent et Rik Yoshida, les réalisateurs de documentaires du MIT Chris Boebel et Joe McMaster et James LaPlante de Sputnik Animation se sont associés pour dépeindre le monde subatomique d'une nouvelle manière. Présenté par le MIT Center for Art, Science &Technology (CAST) et Jefferson Lab, "Visualizing the Proton" est une animation originale du proton, destinée à être utilisée dans les salles de classe du secondaire. Ent et Milner ont présenté l'animation lors de conférences lors de la réunion d'avril de l'American Physics Society et l'ont également partagée lors d'un événement communautaire organisé par MIT Open Space Programming le 20 avril. En plus de l'animation, un court métrage documentaire sur le processus collaboratif est en cours.

C'est un projet auquel Milner et Ent réfléchissent depuis au moins 2004 lorsque Frank Wilczek, professeur de physique Herman Feshbach au MIT, a partagé une animation dans sa conférence Nobel sur la chromodynamique quantique (QCD), une théorie qui prédit l'existence des gluons. dans le proton. "Il y a une lignée extrêmement forte du MIT sur le sujet", souligne Milner, faisant également référence au prix Nobel de physique de 1990, décerné à Jerome Friedman et Henry Kendall du MIT et à Richard Taylor du SLAC National Accelerator Laboratory pour leurs recherches pionnières confirmant l'existence de quarks.

Pour commencer, les physiciens pensaient que l'animation serait un moyen efficace d'expliquer la science derrière l'Electron Ion Collider, un nouvel accélérateur de particules du Département américain de l'énergie Office of Science, auquel de nombreux professeurs du MIT, dont Milner, ainsi que des collègues comme Ent , prônent depuis longtemps. De plus, les rendus immobiles du proton sont intrinsèquement limités, incapables de représenter le mouvement des quarks et des gluons. "Les parties essentielles de la physique impliquent l'animation, la couleur, l'annihilation et la disparition des particules, la mécanique quantique, la relativité. Il est presque impossible de transmettre cela sans animation", déclare Milner.

En 2017, Milner a été présenté à Boebel et McMaster, qui à leur tour ont embarqué LaPlante à bord. Milner "avait l'intuition qu'une visualisation de leur travail collectif serait vraiment, vraiment précieuse", se souvient Boebel des débuts du projet. Ils ont postulé pour une bourse du corps professoral CAST, et l'idée de l'équipe a commencé à prendre vie.

"Le comité de sélection de CAST a été intrigué par le défi et y a vu une merveilleuse occasion de mettre en évidence le processus impliqué dans la réalisation de l'animation du proton ainsi que l'animation elle-même", a déclaré Leila Kinney, directrice exécutive des initiatives artistiques et de CAST. "Les véritables collaborations art-science sont plus complexes que les projets de communication scientifique ou de visualisation scientifique. Elles impliquent de rassembler différents modes tout aussi sophistiqués de découvertes créatives et de décisions interprétatives. Il est important de comprendre les possibilités, les limites et les choix déjà intégrés dans le technologie visuelle sélectionnée pour visualiser le proton. Nous espérons que les gens repartiront avec une meilleure compréhension de l'interprétation visuelle en tant que mode d'enquête critique et de production de connaissances, ainsi que de la physique."

Boebel et McMaster ont filmé le processus de création d'une telle interprétation visuelle depuis les coulisses. "C'est toujours difficile de réunir des experts de classe mondiale, mais de domaines différents, et de leur demander de parler de quelque chose de technique", déclare McMaster à propos des efforts de l'équipe pour produire quelque chose à la fois scientifiquement précis et visuellement attrayant. "Leur enthousiasme est vraiment contagieux."

En février 2020, l'animateur LaPlante a accueilli les scientifiques et les cinéastes dans son studio du Maine pour partager sa première idéation. Bien que comprendre le monde de la physique quantique ait posé un défi unique, il explique :« L'un des avantages que j'ai est que je ne viens pas d'une formation scientifique. Mon objectif est toujours de comprendre la science et ensuite de comprendre, "OK, eh bien, à quoi ça ressemble ?"

Les gluons, par exemple, ont été décrits comme des ressorts, des élastiques et des vides. LaPlante a imaginé la particule, censée maintenir les quarks ensemble, comme un pot de boue. Si vous mettez votre poing fermé et essayez de l'ouvrir, vous créez un vide d'air, ce qui rend plus difficile l'ouverture de votre poing car le matériau environnant veut l'enrouler.

LaPlante a également été inspiré pour utiliser son logiciel 3D pour "geler le temps" et voler autour d'un proton immobile, seulement pour que les physiciens l'informent qu'une telle interprétation était inexacte sur la base des données existantes. Les accélérateurs de particules ne peuvent détecter qu'une tranche bidimensionnelle. En fait, les données tridimensionnelles sont quelque chose que les scientifiques espèrent capturer lors de leur prochaine étape d'expérimentation. Ils se sont tous heurtés au même mur - et à la même question - bien qu'ils abordent le sujet de manière totalement différente.

"Mon art est vraiment une question de clarté de communication et d'essayer d'amener une science complexe à quelque chose de compréhensible", déclare LaPlante. Tout comme en science, se tromper est souvent la première étape de sa démarche artistique. Cependant, sa première tentative d'animation a été un succès auprès des physiciens, et ils ont affiné le projet avec enthousiasme sur Zoom.

"Il y a deux boutons de base que les expérimentateurs peuvent composer lorsque nous diffusons un électron d'un proton à haute énergie", explique Milner, un peu comme la résolution spatiale et la vitesse d'obturation en photographie. "Ces variables de caméra ont des analogies directes dans le langage mathématique des physiciens décrivant cette diffusion."

Lorsque le "temps d'exposition", ou Bjorken-X, qui en QCD est l'interprétation physique de la fraction de l'impulsion du proton portée par un quark ou un gluon, est abaissé, vous voyez le proton comme un nombre presque infini de gluons et de quarks se déplaçant très rapidement. Si Bjorken-X est soulevé, vous voyez trois blobs, ou quarks de Valence, en rouge, bleu et vert. Au fur et à mesure que la résolution spatiale est réglée, le proton passe d'un objet sphérique à un objet pancake.

"Nous pensons avoir inventé un nouvel outil", déclare Milner. « Il y a des questions scientifiques fondamentales :comment les gluons sont-ils distribués dans un proton ? Sont-ils uniformes ? Sont-ils agglutinés ? Nous ne savons pas. , et discussion scientifique.

"C'est le début. J'espère que les gens le verront dans le monde entier et qu'ils seront inspirés." + Explorer plus loin

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Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.