The strength of the strong force

Le boson de Higgs a fait grand bruit lorsque cette particule insaisissable a été découverte en 2012. Bien qu’elle ait été présentée comme fournissant de la masse à la matière ordinaire, les interactions avec le champ de Higgs ne génèrent qu’environ 1 % de la masse ordinaire. Les 99 % restants proviennent de phénomènes associés à la force forte, la force fondamentale qui lie des particules plus petites appelées quarks à des particules plus grosses appelées protons et neutrons qui constituent les noyaux des atomes dans la matière ordinaire.

Maintenant, des chercheurs du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Département américain de l’énergie ont extrait expérimentalement la force de la force forte, une quantité qui soutient fortement les théories expliquant comment la majeure partie de la masse ou de la matière ordinaire dans l’univers.

Cette quantité, connue sous le nom de couplage de force forte, décrit la force avec laquelle deux corps interagissent ou “s’accouplent” sous cette force. Le couplage de force forte varie avec la distance entre les particules affectées par la force. Avant cette recherche, les théories étaient en désaccord sur la façon dont le couplage des forces fortes sur de longues distances devrait se comporter : certains prédisaient qu’il devrait croître avec la distance, d’autres qu’il devrait diminuer, et d’autres encore qu’il devrait devenir constant.

En utilisant les données du Jefferson Lab, les physiciens ont pu déterminer le couplage de force intense aux plus grandes distances à ce jour. Leurs résultats, qui fournissent un support expérimental aux prédictions théoriques, ont récemment fait la couverture de la revue. particules.

“Nous sommes heureux et ravis de voir nos efforts reconnus”, a déclaré Jian-Ping Chen, scientifique principal au Jefferson Lab et co-auteur de l’article.

Bien que ce document soit l’aboutissement d’années de collecte et d’analyse de données, il n’était pas entièrement intentionnel au départ.

Un spin-off d’une expérience de spin

À des distances plus petites entre les quarks, le couplage de force forte est faible et les physiciens peuvent le résoudre avec une méthode itérative standard. Cependant, à des distances plus grandes, le couplage de force forte devient si important que la méthode itérative ne fonctionne plus.

“C’est à la fois une malédiction et une bénédiction”, a déclaré Alexandre Deur, scientifique au Jefferson Lab et co-auteur de l’article. “Alors que nous devons utiliser des techniques plus compliquées pour calculer cette quantité, sa valeur déclenche une foule de phénomènes émergents très importants.”

Cela inclut un mécanisme qui représente 99% de la masse ordinaire de l’univers. (Mais nous y reviendrons dans un instant.)

Malgré le défi de ne pas pouvoir utiliser la méthode itérative, Deur, Chen et leurs co-auteurs ont extrait un fort couplage de forces aux plus grandes distances entre les corps affectés.

Ils ont extrait cette valeur d’une poignée d’expériences du Jefferson Lab qui étaient en fait conçues pour étudier entièrement autre chose : le spin des protons et des neutrons.

Ces expériences ont été menées à l’installation d’accélération de faisceaux d’électrons continus du laboratoire, une installation utilisateur du DOE. Le CEBAF est capable de fournir des faisceaux d’électrons polarisés, qui peuvent être dirigés vers des cibles spécialisées contenant des protons et des neutrons polarisés dans les salles d’expérimentation. Lorsqu’un faisceau d’électrons est polarisé, cela signifie que la plupart des électrons tournent dans la même direction.

Ces expériences ont tiré le faisceau d’électrons polarisés du Jefferson Lab sur des cibles de protons ou de neutrons polarisés. Au cours des années d’analyse des données qui ont suivi, les chercheurs ont réalisé qu’ils pouvaient combiner les informations collectées sur le proton et le neutron pour extraire un couplage de force puissant à de plus grandes distances.

“Seul le faisceau d’électrons polarisés haute performance de Jefferson Lab, en combinaison avec les développements des cibles polarisées et des systèmes de détection, nous a permis d’obtenir de telles données”, a déclaré Chen.

Ils ont constaté qu’à mesure que la distance entre les corps affectés augmente, le couplage de force forte augmente rapidement avant de se stabiliser et de devenir constant.

“Certaines théories ont prédit que cela devrait être le cas, mais c’est la première fois expérimentalement que nous voyons cela”, a déclaré Chen. “Cela nous donne des détails sur le fonctionnement réel de la force forte, à l’échelle des quarks qui composent les protons et les neutrons.”

Le nivellement prend en charge les théories massives

Ces expériences ont été réalisées il y a environ 10 ans, lorsque le faisceau d’électrons du Jefferson Lab était capable de fournir aux électrons une énergie allant jusqu’à 6 GeV (il est maintenant capable de fournir jusqu’à 12 GeV). Le faisceau d’électrons d’énergie la plus basse était nécessaire pour examiner la force forte à ces distances plus grandes : une sonde d’énergie plus faible permet d’accéder à des échelles de temps plus longues et donc à de plus grandes distances entre les particules affectées.

De même, une sonde à énergie plus élevée est essentielle pour rapprocher les vues des échelles de temps plus courtes et des distances plus petites entre les particules. Des laboratoires disposant de faisceaux d’énergie plus élevée, comme le CERN, le Fermi National Accelerator Laboratory, et le SLAC National Accelerator Laboratory, ont déjà examiné le couplage de forces fortes sur ces plus petites échelles d’espace-temps, lorsque cette valeur est relativement faible. .

La vue agrandie offerte par les rayons de haute énergie a montré que la masse d’un quark est petite, seulement quelques MeV. Au moins, c’est votre pâte de manuel. Mais lorsque les quarks d’énergie inférieure sont sondés, leur masse augmente effectivement jusqu’à 300 MeV.

En effet, les quarks forment un nuage de gluons, la particule qui transporte la force forte, lorsqu’ils parcourent de grandes distances. L’effet générateur de masse de ce nuage représente la majeure partie de la masse de l’univers; sans cette masse supplémentaire, la masse classique des quarks ne peut représenter qu’environ 1 % de la masse des protons et des neutrons. Les 99% restants proviennent de cette masse acquise.

De même, une théorie postule que les gluons sont sans masse à courte distance mais gagnent effectivement de la masse à mesure qu’ils voyagent plus loin. Le nivellement du couplage des forces fortes sur de longues distances soutient cette théorie.

“Si les gluons restaient sans masse sur de longues distances, le fort couplage des forces continuerait de croître sans contrôle”, a déclaré Deur. “Nos mesures montrent que le couplage de force forte devient constant à mesure que la distance sondée augmente, ce qui est un signe que les gluons ont acquis de la masse par le même mécanisme qui donne 99% de la masse au proton et au neutron.

Cela signifie que le couplage de forces fortes sur de longues distances est important pour comprendre ce mécanisme générateur de masse. Ces résultats aident également à vérifier de nouvelles façons de résoudre les équations de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie acceptée qui décrit la force forte.

Par exemple, l’aplatissement du couplage de force forte à de grandes distances prouve que les physiciens peuvent appliquer une nouvelle technique de pointe appelée dualité Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT). La technique AdS/CFT permet aux physiciens de résoudre des équations de manière non itérative, ce qui peut faciliter les calculs de forces fortes à de grandes distances là où les méthodes itératives échouent.

Le conforme dans “Conformal Field Theory” signifie que la technique est basée sur une théorie qui se comporte de la même manière à toutes les échelles d’espace-temps. Parce que le couplage de force forte se stabilise à de plus grandes distances, il ne dépend plus de l’échelle spatio-temporelle, ce qui signifie que la force forte est conforme et AdS/CFT peut être appliqué. Bien que les théoriciens aient déjà appliqué AdS/CFT au QCD, ces données soutiennent l’utilisation de la technique.

“AdS/CFT nous a permis de résoudre des problèmes de QCD ou de gravité quantique qui étaient jusqu’à présent insolubles ou très grossièrement approchés à l’aide de modèles peu rigoureux”, a déclaré Deur. “Cela a produit beaucoup d’idées passionnantes sur la physique fondamentale.”

Ainsi, bien que ces résultats aient été générés par des expérimentateurs, ils affectent davantage les théoriciens.

“Je pense que ces résultats sont une véritable percée pour faire progresser la chromodynamique quantique et la physique des hadrons”, a déclaré Stanley Brodsky, professeur émérite au SLAC National Accelerator Laboratory et théoricien de la QCD. “Je félicite la communauté des physiciens du Jefferson Lab, en particulier le Dr Alexandre Deur, pour cette importante avancée en physique.”

Des années se sont écoulées depuis que les expériences qui ont accidentellement produit ces résultats ont été réalisées. Une toute nouvelle série d’expériences utilise désormais le faisceau de 12 GeV de la plus haute énergie du Jefferson Lab pour explorer la physique nucléaire.

“Une chose dont je suis très heureux avec toutes ces expériences plus anciennes, c’est que nous avons formé beaucoup de jeunes étudiants et maintenant ils sont devenus des leaders d’expériences futures”, a déclaré Chen.

Seul le temps dira quelles théories ces nouvelles expériences soutiennent.