interaction forte

La carte de la matière nucléaire dense ressemble à une carte routière : les lignes de transition de phase se croisent en des points critiques, comme des routes à des carrefours. Jusqu'à présent, on connaissait deux carrefours sur cette carte : la transition nucléaire liquide-gaz et le déconfinement, où les hadrons se désintègrent en quarks.

Imaginez deux toupies lancées sur une table. Si elles tournent dans le même sens, leur rotation totale est grande ; si elles tournent en sens inverse, la rotation totale peut être nulle, alors que chaque toupie tourne rapidement individuellement. Dans une paire d'étoiles à neutrons qui se rapprochent avant la fusion, ces toupies sont leurs rotations propres, c'est-à-dire leurs spins.

Lorsqu'on brise un proton dans un accélérateur, des quarks et des gluons en sortent. Mais on ne peut pas les voir libres : presque immédiatement, ils se collent les uns aux autres pour former de nouvelles particules, comme des gouttes de mercure qui se rassemblent en billes.

Les quarks, briques élémentaires des protons et des neutrons, s'assemblent généralement par paires ou par triplets. Mais parfois, ils forment des combinaisons plus grandes et instables qui ne vivent que des fractions infinitésimales de seconde.

Deux noyaux avec le même nombre de particules, mais avec une forme différente de manteau de neutrons, entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Le ruthénium-96 et le zirconium-96 sont comme deux jumeaux, dont l'un aurait un manteau légèrement plus épais.

À l'accélérateur du laboratoire Jefferson, un faisceau de lumière frappe des protons, et des particules éphémères naissent de ces collisions : les mésons oméga. Ils vivent moins d'un milliardième de seconde, mais ils ont le temps de nous renseigner sur les forces qui règnent à l'intérieur du noyau atomique.

Trois boules de billard frappées se dispersent sur la table — leurs trajectoires ne dépendent que de l'impulsion initiale. Mais dans le monde des noyaux atomiques, c'est plus complexe : les particules se ressentent mutuellement en mouvement, même si elles ne sont pas liées en un tout.

Trois boules de billard frappées se dispersent sur la table — leurs trajectoires ne dépendent que de l'impulsion initiale. Mais dans le monde des noyaux atomiques, c'est plus complexe : les particules se ressentent mutuellement en mouvement, même si elles ne sont pas liées en un tout.

Dans chaque cellule, des rencontres et des séparations ont lieu en permanence. Certaines paires tiennent solidement, comme un scratch, d'autres se touchent à peine, comme du pollen porté par le vent.

Le proton n'est pas une boule pleine, mais une minuscule prison. À l'intérieur, trois quarks sont enfermés, et le champ de gluons les empêche de s'échapper – une sorte de fils invisibles qui ne font que se renforcer lorsque les quarks tentent de s'éloigner.

Le proton n'est pas une boule monolithique. C'est un nuage bouillonnant de quarks et de gluons qui naissent et disparaissent sans cesse. Pour décrire une telle image, on utilise les fonctions de distribution de partons : elles indiquent la probabilité de rencontrer un quark ou un gluon d'une certaine énergie à l'intérieur du proton.

Le Soleil est une immense chaudière où la lumière se fraye un chemin à travers une épaisse couche de matière incandescente. Sur le chemin vers la surface, les photons (particules de lumière) heurtent sans cesse les atomes et perdent de l'énergie.

Une poignée de sable dans le poing : les grains se bloquent les uns contre les autres, et la main ne peut pas se refermer davantage. La matière ordinaire se comporte de la même façon.

Une boule de billard en heurte une autre dans l'obscurité totale. Le bruit de l'impact et le cliquetis des billes tombant dans les poches — voilà tout ce que l'on entend. C'est à peu près ainsi que les physiciens étudient les interactions des particules élémentaires à des énergies qu'aucun accélérateur terrestre ne peut reproduire.

En juin 2024, le radiotélescope CHIME a détecté depuis la source FRB 20240114A plus de 700 sursauts radio par heure. Un tel répéteur hyperactif libère en une heure presque toute l'énergie magnétique d'un magnétar ordinaire (une étoile à neutrons au champ extrêmement puissant).

Trois faisceaux laser s'entrelacent en triangle. Chacun est lié aux deux autres — c'est ainsi que fonctionne le nouveau schéma que les physiciens appellent « vide comprimé tri-modal totalement connecté ».

Dans la ville des particules élémentaires, il y a une maison tout au bord du précipice : la X(3872). Elle se tient exactement sur la ligne qui la sépare de sa désintégration en deux structures plus légères : le méson D et l'anti-méson D. Une petite poussée et elle s'effondre. Mais la maison tient. Les physiciens se sont longtemps demandé ce qui la retient.

La lumière des quasars lointains, après avoir voyagé des milliards d'années, laisse sur la pellicule cosmique un motif de raies d'absorption sombres — la spectroscopique forêt Lyman-alpha. Chaque raie est comme une note dans une partition grandiose écrite par l'hydrogène du milieu intergalactique.

Au centre de chaque atome se trouve un noyau, une boule dense de protons et de neutrons. Ces particules ne s'entassent pas au hasard, mais occupent des niveaux d'énergie stricts, semblables aux étages d'un gratte-ciel. Lorsqu'un étage est complètement rempli, le noyau devient particulièrement stable – les physiciens appellent cela un nombre magique.

Les entrailles des étoiles à neutrons sont un royaume de matière dégénérée. Ici, les protons se condensent en un condensat supraconducteur, parcouru de tourbillons quantiques. Imaginez de minuscules toupies magnétiques : chacune porte un quantum de flux magnétique et glisse à travers le fluide électronique.

Dans des accélérateurs comme le Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des noyaux lourds à une vitesse prodigieuse.

Deux pendules suspendus à un fil commun échangent leur mouvement : poussez l'un, l'autre se met à osciller, et un instant plus tard, le premier reçoit une impulsion en retour. Dans l'atome de thorium-229, l'énergie circule de la même manière entre la couche électronique et le noyau, avec très peu de pertes.

Les étoiles à neutrons sont des cornues alchimiques cosmiques : à des densités supranucléaires, les hadrons fondent en plasma de quarks et de gluons (PQG), et au cœur même, là où la pression atteint son maximum, naît un supraconducteur de couleur (SC).

Dans le microcosme de l'interaction forte — la colle la plus puissante de la nature — les quarks ne se promènent jamais seuls. À grande distance, ils s'agglutinent en protons et en neutrons que nous connaissons bien. Mais sous une compression extrême, comme au cœur d'une étoile à neutrons, cette colle crée des formes de matière bien plus étranges.

Au cœur d'une étoile à neutrons — le vestige d'une étoile explosée — la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse des milliards de tonnes. Parmi cette matière hyperdense, une variété particulière de force pourrait agir, une qui ne concerne que les neutrinos muoniques et tauiques.

L'Univers s'étend en accélérant — comme une pâte qui lève de plus en plus vite, alors que la levure est épuisée depuis longtemps. Depuis vingt ans, les astronomes cherchent la cause et l'appellent énergie noire. Mais ce que c'est reste une énigme. Un nouveau travail propose une source inattendue : le vide à l'intérieur du noyau atomique.

Dans les accélérateurs, en faisant entrer en collision des noyaux lourds, les physiciens créent brièvement un plasma de quarks et de gluons — un état de la matière où les quarks et les gluons ne sont pas confinés dans des particules, mais libres.

Un fil téléphonique fortement torsadé finit par lâcher et projette des étincelles. C'est exactement ce qui se passe avec les champs magnétiques sur le Soleil : ils se tordent, se déchirent et se reconnectent, alimentant les éruptions. Pour la première fois, des astronomes ont observé ce processus directement.

L'eau dans un verre semble simple, mais pour la décomposer en oxygène et en hydrogène avec la lumière du soleil, il ne suffit pas de transférer des électrons : il faut aussi qu'ils « s'accordent » sur le sens de leur rotation. La molécule d'oxygène naît avec deux électrons non appariés qui tournent dans le même sens.

Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons massive, où une cuillère à café de matière pèse comme une montagne, les quarks sont compressés à une proximité inimaginable.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques cessent d'être des amas distincts. Les neutrons et les protons se rapprochent, et leurs entrailles — les quarks — commencent à sentir leurs voisins à travers les parois de leurs « sacs ».

Glace, eau, vapeur — des transitions de phase que tout le monde connaît. Mais que se passe-t-il si l'on comprime et chauffe le noyau de l'atome lui-même ? Les théoriciens pensent que les protons et les neutrons qu'il contient « fondent », libérant des briques plus petites — les quarks et les gluons.

À l'intérieur du proton, ça bouillonne. Les quarks n'y sont pas simplement assis — ils sont collés par des particules messagères, les gluons (du mot anglais glue — colle). D'habitude, cette colle est étalée uniformément, comme du beurre sur une poêle. Mais quand les énergies deviennent énormes, les gluons commencent à se regrouper en amas.

Si l'on comprime une poignée de sable jusqu'à la taille d'une tête d'épingle, elle se transforme en pierre. Mais si l'on comprime encore plus fort — jusqu'à la densité du noyau atomique —, les grains de sable perdent leur forme. Les protons et les neutrons se dissolvent, et la matière devient une sorte de soupe de quarks libres.

À première vue, le noyau atomique est un appartement communautaire exigu où protons et neutrons (ensemble, on les appelle nucléons) vivent selon des règles strictes. Chacun occupe son orbite, comme les électrons dans l'atome, et en moyenne tout semble ordonné.

Un jongleur lance des massues en étant assis sur une chaise tournante. S'il se met à faire tourner les massues toutes dans le même sens, la chaise partira dans le sens opposé — sinon la loi de conservation de la rotation serait violée.

Si vous serrez une poignée de sable dans votre poing, il se compacte d'abord, puis commence à résister – les grains n'ont plus de place où aller. Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons, il se passe quelque chose de similaire, mais au lieu de grains de sable, ce sont des particules élémentaires, et au lieu d'une main, c'est une gravité monstrueuse.

Si vous essayez de briser un proton et d'en extraire un quark, vous aurez une surprise. Les forces ordinaires, comme la force électrique, faiblissent lorsque les particules s'éloignent. Ici, c'est le contraire. Plus un quark est loin de ses voisins, plus il est rappelé.

Dans les lacs d'eau douce, les cyanobactéries Microcystis provoquent souvent des efflorescences toxiques. Elles se rassemblent en colonies — des boules élastiques qui ressemblent à de la gelée dense. Les cellules sont collées par une substance spéciale à base de carbone qui agit comme une puissante colle naturelle.

Deux noyaux d'étain entrent en collision à environ les deux tiers de la vitesse de la lumière. Pendant un instant, un nuage chaud et dense se forme, d'où des protons s'échappent dans toutes les directions. Si l'on capture des paires de protons et que l'on mesure à quelle fréquence ils partent dans la même direction, on peut calculer la taille de ce nuage.