La masse du proton enfin expliquée

Publié par Michel le 22/11/2008 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: © Forschungszentrum Jülich/Seitenplan with material from NASA, ESA and AURA/Caltech
D'où vient la masse du proton? A 95 % de l'énergie des quarks et des gluons, répondent les physiciens du Centre de physique théorique de Marseille (1). Menés à partir du modèle standard qui décrit les interactions entre particules élémentaires, leurs calculs prouvent que la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) résulte principalement de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) portée par ces tous petits "éléments" que sont les quarks et les gluons, au travers de la célèbre formule d'Einstein E=mc2 (L'équation E=mc2 a été formulée en 1905 par Albert Einstein dans le cadre de la...). Cette prouesse confirme la validité d'une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) pour dépeindre les interactions fortes entre particules. Publiés dans Science le 21 novembre 2008, ces travaux ont été accomplis grâce à des supercalculateurs parmi les plus puissants au monde (Le mot monde peut désigner :). Ils permettent d'envisager l'arrivée d'une nouvelle théorie en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), au-delà du modèle actuel, avec d'éventuelles découvertes dans le domaine des interactions faibles de quarks.


Ce dessin montre les supercalculateurs utilisés pour calculer les masses des protons,
neutrons et autres "hadrons" qui sont ici constitués de trois quarks de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...)
(symbolisés en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...), vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...) et bleu)

Dans les noyaux des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...), on trouve des protons et des neutrons. Ceux-ci sont eux-mêmes constitués de quarks et de gluons, sortes de petites sous-structures fondamentales. Or, la masse des gluons est nulle. Et, contrairement à ce que l'on pourrait penser, la masse des quarks qui composent un proton ne représente que 5% de la masse de ce dernier. D'où proviennent donc les 95% restants ?

Une équipe de physiciens français, allemands et hongrois vient de prouver que ces 95% résultent de l'énergie due aux mouvements des quarks et des gluons, et à leurs interactions. Une masse issue d'une énergie, c'est un résultat quelque peu déroutant, pourtant traduit par la célèbre formule d'Einstein E=mc2 énonçant l'équivalence entre masse et énergie. Jusqu'ici hypothèse, ce résultat est pour la première fois corroboré.

Les chercheurs, pilotés en France par Laurent Lellouch, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) au Centre de physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois...), se sont appuyés sur plus de vingt ans de recherches effectuées par des physiciens du monde entier. Partant des équations de la chromodynamique quantique (La chromodynamique quantique, acronyme QCD de l'anglais Quantum ChromoDynamics, est une théorie...) (2), c'est-à-dire la théorie qui décrit les interactions fortes, ils sont parvenus à calculer la masse des protons, des neutrons et autres particules du même type (3). Résultat, les masses obtenues par le calcul sont en excellent accord avec celles mesurées expérimentalement. Les chercheurs confirment ainsi que le modèle standard est correct pour décrire l'origine de la masse de ces particules et donc celle de plus de 99% de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) visible, comprenant le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), nous-même et tous les objets qui nous entourent.

Pour parvenir à leurs fins, les chercheurs ont utilisé une approche où l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...) est envisagé comme un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) cristallin à quatre dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...), composé de sites espacés le long de rangées et de colonnes. Leur principal défi était d'arriver à une solution qui corresponde à notre espace-temps continu, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en contrôlant toutes les sources d'incertitudes liées aux calculs sur réseau. Sur le plan pratique, ce travail marque l'arrivée à maturité de méthodes numériques pertinentes pour l'étude des interactions fortes. Il devrait jouer un rôle fondamental dans la nouvelle ère de la physique qui s'ouvre avec le Large Hadron Collider (Le Large Hadron Collider (LHC, ou Grand collisionneur de hadrons en français) est un...). En effet, contrôler le modèle des interactions fortes pourrait permettre de mettre en évidence de nouveaux effets liés aux interactions faibles de quarks qui sont masqués par les interactions fortes.

Ce calcul s'avère l'un des plus importants calculs numériques effectués à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...). Une véritable performance qui a requis les ressources des supercalculateurs Blue Gene de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) du développement et des ressources en informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine...) scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) (IDRIS) du CNRS et du Forschungszentrum Jülich, mais également des fermes de calcul de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Wuppertal et du Centre de physique théorique de Marseille.


Notes:

(1) CNRS / Université de la Méditerranée / Université de Provence / Université de Toulon (L' Université du Sud Toulon-Var est une université publique située à Toulon en...)

(2) D'après cette théorie du modèle standard, les quarks sont confinés dans les particules qu'ils constituent et possèdent une propriété nommée "couleur" bleue, verte ou rouge, analogue à la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...) de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...).
(3) Cela comprend des "hadrons légers" qui sont des particules composées de quarks et de gluons (telles les protons et les neutrons).


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