Les protons, ces petites particules qui, avec les neutrons, forment le noyau de l’atome, restent l’un des grands mystères de la physique moderne. Même si toute la matière qui nous entoure est faite d’atomes (avec des noyaux enveloppés d’électrons), on a encore du mal à percer les secrets de l’intérieur des protons. Une étude récente publiée dans la revue Physical Review Letters a permis d’éclairer un peu ce sujet complexe.
La composition interne des protons
Au centre de chaque proton se trouvent des particules élémentaires appelées quarks. Ces quarks sont maintenus ensemble par ce qu’on appelle la « force forte », l’une des quatre forces fondamentales de la nature (avec la gravité, l’électromagnétisme et la force faible).
Pour mieux comprendre ces interactions, les scientifiques ont utilisé une technique de pointe nommée chromodynamique quantique sur réseau (Lattice QCD). Cette méthode repose sur la création d’une grille virtuelle qui découpe l’espace et le temps, permettant ainsi d’appliquer des équations compliquées pour simuler les interactions entre quarks.
Découvertes étonnantes et retombées
L’étude a montré que les forces à l’intérieur des protons peuvent atteindre jusqu’à un demi-million de Newtons, ce qui revient à comprimer environ 10 éléphants dans un espace plus petit qu’un noyau atomique. Richard Young, professeur associé à l’Université d’Adélaïde, a commenté : « En rendant visibles pour la première fois les forces invisibles à l’intérieur du proton, cette étude comble le fossé entre théorie et expérience. » Joshua Crawford, chercheur principal et doctorant à l’université d’Adélaïde, insiste sur le fait que, même à ces échelles minuscules, les forces impliquées sont impressionnantes.
Comprendre ces dynamiques internes aide non seulement à maintenir l’intégrité du proton, mais ouvre aussi des pistes pour des applications pratiques, comme l’amélioration des traitements contre le cancer, par exemple à travers la protonthérapie.
Plongée dans les asymétries et les structures hadroniques
Les asymétries à un seul spin observées dans certaines expérimentations offrent un aperçu précieux de la structure des hadrons. L’asymétrie de Sivers est particulièrement intéressante en phénoménologie de la QCD (chromodynamique quantique) même si elle n’est pas encore totalement comprise au niveau des quarks. (Cela montre bien que les interactions à l’échelle subatomique restent pleines de surprises.) Par ailleurs, le calcul QCD sur réseau permet d’étudier comment une force colorée-Lorentz agit sur un quark percuté dans un proton.
Les chercheurs ont fait appel à plusieurs ensembles de jauge générés par la QCDSF Collaboration en utilisant différentes valeurs pour explorer ces interactions complexes. Des calculs détaillés ont ainsi été menés afin de visualiser comment ces forces se comportent localement et influencent la répartition spatiale dans le plan transverse.
