Prenez de la vitesse sur le Proton


Prenez de la vitesse sur le Proton

Vue d’ de la structure du proton, révélant son système complexe et dynamique de quarks et de gluons. Crédit photo : Laboratoire National d’Argonne

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

Pendant plus de 2000 ans, les scientifiques ont pensé que l’atome était la plus petite particule possible. Puis ils ont qu’il avait un noyau composé de protons et de neutrons entourés d’électrons. Ensuite, 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.

« Avec les neutrons, les protons représentent plus de 99% de l’univers visible, des galaxies aux étoiles jusqu’à nous », a déclaré Yong Zhao, physicien au Argonne National Laboratory (DOE) du département américain de l’Énergie. « Cependant, nous ne savons toujours pas grand-chose le riche fonctionnement interne des protons ou des neutrons. »

Zhao est co-auteur d’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 du grand effet de moment, ou LaMET en abrégé, qui fonctionne en conjonction avec une théorie appelée chromodynamique quantique sur réseau (QCD).

Le proton est minuscule – environ 100 000 fois plus petit qu’un atome, donc les physiciens le modélisent souvent comme un point sans dimensions. Mais ces nouvelles théories peuvent prédire ce qui se passe à l’intérieur de la vitesse du proton léger comme s’il s’agissait d’un corps tridimensionnel.

Le concept de quantité de mouvement est crucial non seulement pour LaMET mais pour la physique en général. C’est la vitesse d’un objet multipliée par sa masse.

Il y a plus d’un demi-siècle, explique Zhao, un simple modèle de quark des physiciens Murray Gell-Mann et George Zweig a révélé une partie de la structure interne du proton au repos (sans impulsion). À l’aide de ce modèle, les scientifiques ont imaginé le proton comme composé de trois quarks et ont prédit leurs propriétés essentielles telles que la charge électrique et le spin.

Des expériences ultérieures avec des protons accélérés à près de la vitesse de la lumière ont montré que le proton est encore plus complexe qu’on ne le supposait 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 fourni la plupart de ces résultats.

« Lorsque vous accélérez le proton et entrez en avec une cible, la magie se produit qui révèle ses nombreux secrets », a déclaré Zhao.

Environ cinq ans après que le modèle de quark simple a secoué la communauté des physiciens, un modèle proposé par Richard Feynman a présenté le proton, se déplaçant à une vitesse proche de la lumière, sous la forme d’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 quelques détails informatifs sur la distribution des quarks et des gluons dans le proton. Mais ils avaient une grave lacune : ils ne pouvaient pas exactement faire la distinction entre les partons rapides et lents.

La difficulté était que le QCD sur réseau ne pouvait calculer que les propriétés du proton qui ne dépendaient pas de sa quantité de mouvement. Cependant, l’application du modèle de parton de Feynman à la QCD sur réseau nécessite la connaissance des propriétés d’un proton d’impulsion infinie, ce qui signifie que les particules de proton doivent toutes se déplacer à la vitesse de la lumière. LaMET comble partiellement cette lacune de connaissances et propose une recette pour calculer la physique des partons à partir de la QCD sur réseau pour des impulsions grandes mais finies.

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

Les calculs QCD sur réseau effectués sur des superordinateurs avec LaMET génèrent des prédictions nouvelles et améliorées sur la structure de la vitesse du proton léger. Ces prédictions peuvent ensuite être mises à l’épreuve dans une nouvelle installation unique appelée collisionneur électron-ion (EIC). Cette installation est en cours de construction dans le laboratoire national de Brookhaven du DOE.

« Notre LaMET peut également prédire des informations utiles sur des quantités extrêmement difficiles à mesurer », explique Zhao. « Et avec des supercalculateurs suffisamment puissants, nos prédictions pourraient dans certains cas être encore plus précises que ce ne serait possible à l’EIC. »

Grâce à une meilleure compréhension de la structure tridimensionnelle quark-gluon de la matière à l’aide de la théorie et des mesures EIC, les scientifiques sont prêts à obtenir une image beaucoup plus détaillée du proton. Nous entrerons alors dans une nouvelle ère de la physique des partons.

Cette étude a été publiée dans Revues de physique moderne dans un article intitulé « Large-Momentum Effective Theory ». Les auteurs incluent Zhao 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).


GEM simplifie la structure interne des protons et leurs collisions


Plus d’information:
Xiangdong Ji et al., Théorie du grand élan, Revues de physique moderne (2021). DOI : 10.1103 / RevModPhys.93.035005

Fourni par le Laboratoire National d’Argonne

Citation: Mise à jour sur le Proton (2021, 6 octobre), consulté le 7 octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-proton.html

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