Comprendre l’origine de la masse des particules subatomiques, comme les protons et neutrons, est l’un des grands défis de la physique moderne. Ces particules, appelées hadrons, sont les éléments constitutifs de la matière visible dans l’univers. Grâce à des calculs récents et à des technologies de pointe, les chercheurs ont fait un pas de plus vers la résolution de cette énigme fondamentale.
Qu’est-ce qu’un hadron ? Un univers à l’échelle microscopique
Les hadrons, comme les protons et les neutrons, se trouvent au cœur de l’atome, dans le noyau. Ces particules sont elles-mêmes composées de quarks, des éléments encore plus petits, liés ensemble par une force extrêmement puissante appelée interaction forte. Cette force est véhiculée par des particules nommées gluons qui agissent comme une sorte de colle pour maintenir les quarks groupés.
Pour visualiser ces structures complexes, imaginez un proton comme une sphère composée de briques (les quarks) maintenues ensemble par un ciment invisible (les gluons). Toutefois, cette analogie cache une subtilité : la masse des quarks ne représente qu’une petite partie de la masse totale du proton. Alors, d’où vient le reste ? C’est ici qu’intervient un concept clé en physique : l’anomalie de trace.
L’anomalie de trace : une clé pour comprendre la masse
L’anomalie de trace est un outil théorique utilisé par les chercheurs pour explorer la répartition de la masse dans les particules subatomiques. En termes simples, elle permet de relier l’énergie et l’impulsion des quarks et gluons à leur contribution à la masse totale des hadrons.
Dans une étude récemment publiée, des scientifiques ont utilisé cette méthode pour examiner deux types de particules subatomiques : les nucléons (protons et neutrons) et les pions (des particules formées d’un quark et d’un antiquark). Ils ont calculé la répartition de la masse au sein de ces particules en la comparant à la répartition de leur charge électrique.
Les résultats des calculs ont révélé des schémas fascinants :
- Dans les pions, la répartition de la masse ressemble à celle de la charge électrique des neutrons, qui sont neutres, mais présentent des zones de charges positives et négatives.
- Dans les protons et neutrons, la distribution de masse est similaire à celle de la charge des protons où les charges positives dominent.
Ces similitudes soulignent une connexion profonde entre la masse et la charge au sein des particules subatomiques. Les pions jouent par exemple un rôle particulier en liant les nucléons dans le noyau atomique. Leur structure semble d’ailleurs refléter cette fonction essentielle.
Vers des expériences révolutionnaires au collisionneur électron-ion
Pour approfondir ces découvertes, les scientifiques se tourneront vers un outil prometteur : le collisionneur électron-ion (EIC) qui est actuellement en développement au Laboratoire national de Brookhaven, aux États-Unis. Cet accélérateur de particules permettra d’étudier les collisions entre électrons et protons avec une précision sans précédent.
Pour mieux comprendre, on peut comparer cette méthode à celle utilisée pour découvrir la structure en double hélice de l’ADN : tout comme la diffraction des rayons X a permis de révéler la forme des molécules biologiques, l’analyse des collisions électron-proton permettra de cartographier la répartition de la masse dans les particules subatomiques.
Les nouveaux calculs réalisés par les chercheurs ne sont ainsi qu’une étape dans un voyage scientifique plus vaste. En combinant des approches théoriques avec des données issues d’expériences comme celles prévues au collisionneur électron-ion, les scientifiques espèrent démystifier l’une des propriétés les plus fondamentales de la matière.
Ces avancées ne concernent pas seulement des concepts abstraits ou des théories complexes. Elles touchent à des questions fondamentales sur l’univers lui-même. La masse des particules subatomiques joue un rôle clé dans la formation des atomes, des molécules et, en fin de compte, de toute la matière visible, y compris les étoiles, les planètes et nous-mêmes.
