La force forte est l’une des quatre forces fondamentales de la nature, qui comprennent également la gravité, l’électromagnétisme et la force nucléaire faible. La force forte est responsable de la liaison entre les protons et les neutrons qui forment le noyau de l’atome, et donc le cœur de chaque atome qui construit notre Univers visible. Dans les noyaux atomiques, la plupart des protons et des neutrons sont suffisamment éloignés les uns des autres pour que les physiciens puissent prédire avec précision leurs interactions. Toutefois, ces prévisions sont remises en question lorsque les particules subatomiques sont si proches qu’elles sont pratiquement les unes sur les autres. Si de telles interactions à très courte distance sont rares dans la plupart des matières sur Terre, elles caractérisent les noyaux des étoiles à neutrons et d’autres objets astrophysiques extrêmement denses. Aujourd’hui, une équipe internationale de physiciens a caractérisé la force nucléaire forte et les interactions entre protons et neutrons à des distances extrêmement courtes.
Utilisation de mesures de diffusion d’électrons pour tester l’interaction nucléaire. Des électrons de 5 GeV provenant de l’accélérateur du Jefferson Lab (en haut à gauche) frappent des noyaux et séparent des paires de nucléons SRC (en haut au milieu) ; le spectromètre CLAS (en haut à droite) est utilisé pour détecter les électrons diffusés (sphères vertes) et les protons éliminés (sphères bleues), ce qui permet de reconstruire leur état initial à l’intérieur du noyau ; en combinant plusieurs de ces observations, la distribution de ces paires à l’intérieur du noyau est assemblée et comparée aux calculs théoriques utilisant différents modèles de l’interaction nucléaire forte. Crédit image : Schmidt et al, doi: 10.1038/s41586-020-2021-6.
Les interactions à ultra-courte distance entre protons et neutrons sont rares dans la plupart des noyaux atomiques.
Pour les détecter, il faut bombarder les atomes d’un très grand nombre d’électrons à très haute énergie, dont une fraction pourrait avoir une chance d’expulser une paire de nucléons (protons ou neutrons) se déplaçant à grande vitesse – ce qui indique que les particules doivent interagir à des distances extrêmement courtes.
“Pour réaliser ces expériences, il faut des accélérateurs de particules à très fort courant. Ce n’est que récemment que nous disposons de la capacité de détection et que nous comprenons suffisamment bien les processus pour effectuer ce type de travail”, a déclaré le Dr Or Hen du MIT, auteur principal de l’étude.
Le Dr Hen et ses collègues ont recherché les interactions en exploitant les données précédemment recueillies par le CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS), un détecteur de particules de la taille d’une maison au Jefferson Laboratory.
Le détecteur CLAS a été opérationnel de 1988 à 2012, et les résultats de ces expériences sont depuis lors à la disposition des chercheurs pour rechercher d’autres phénomènes enfouis dans les données.
Dans l’étude, les physiciens ont analysé un grand nombre de données, représentant quelques quadrillions d’électrons frappant des noyaux atomiques dans le détecteur CLAS.
Le faisceau d’électrons était dirigé vers des feuilles de carbone, de plomb, d’aluminium et de fer, chacune contenant des atomes dont le rapport protons/neutrons varie. Lorsqu’un électron entre en collision avec un proton ou un neutron dans un atome, l’énergie à laquelle il se disperse est proportionnelle à l’énergie et au momentum du nucléon correspondant.
“Si je sais avec quelle force j’ai donné un coup de pied à quelque chose et à quelle vitesse il est sorti, je peux reconstruire le moment initial de la chose qui a été frappée”, a déclaré le Dr Hen.
Avec cette approche générale, les chercheurs ont examiné les collisions de quadrillons d’électrons et ont réussi à isoler et à calculer le momentum de plusieurs centaines de paires de nucléons à haut momentum.
Ils appellent ces paires des “gouttelettes d’étoile à neutrons”, car leur momentum et leur distance déduite entre eux sont similaires aux conditions extrêmement denses du cœur d’une étoile à neutrons.
Ils ont traité chaque paire isolée comme un “instantané” et ont organisé les plusieurs centaines d’instantanés selon une distribution de momentum.
À l’extrémité inférieure de cette distribution, ils ont observé une suppression des paires proton-proton, ce qui indique que la force nucléaire forte agit principalement pour attirer les protons vers les neutrons à l’extrémité inférieure de la distribution.un momentum intermédiaire élevé, et de courtes distances.
Plus loin dans la distribution, ils ont observé une transition.
Il semblait y avoir plus de paires proton-proton et, par symétrie, de paires neutron-neutron, ce qui suggère que, à un momentum plus élevé, ou à des distances de plus en plus courtes, la force nucléaire forte n’agit pas seulement sur les protons et les neutrons, mais aussi sur les protons et les protons et les neutrons et les neutrons.
Cette force d’appariement est comprise comme étant de nature répulsive, ce qui signifie qu’à courte distance, les neutrons interagissent en se repoussant fortement les uns les autres.
Axel Schmidt, chercheur postdoctoral au MIT et à l’Université George Washington, a déclaré : ” L’idée d’un noyau répulsif dans la force nucléaire forte est une chose mythique qui existe, mais nous ne savons pas comment l’atteindre, comme un portail d’un autre royaume “.
“Et maintenant nous avons des données où cette transition nous regarde en face, et c’était vraiment surprenant”.
Les scientifiques pensent que cette transition dans la force nucléaire forte peut aider à mieux définir la structure d’une étoile à neutrons.
L’équipe a fait deux autres découvertes.
D’une part, leurs observations correspondent aux prédictions d’un modèle étonnamment simple décrivant la formation de corrélations à courte portée dues à la force nucléaire forte.
D’autre part, contre toute attente, le noyau d’une étoile à neutrons peut être décrit strictement par les interactions entre protons et neutrons, sans qu’il soit nécessaire de tenir compte explicitement des interactions plus complexes entre les quarks et les gluons qui composent les nucléons individuels.
Lorsque les auteurs de l’étude ont comparé leurs observations avec plusieurs modèles existants de la force nucléaire forte, ils ont trouvé une correspondance remarquable avec les prédictions d’Argonne V18, un modèle développé par un groupe de recherche à l’Argonne National Laboratory, qui a considéré 18 différentes façons dont les nucléons peuvent interagir, alors qu’ils sont séparés par des distances de plus en plus courtes.
Cela signifie que si les scientifiques veulent calculer les propriétés d’une étoile à neutrons, ils peuvent utiliser ce modèle particulier pour estimer avec précision les interactions de la force nucléaire forte entre les paires de nucléons dans le noyau.
Les nouvelles données peuvent également être utilisées pour évaluer d’autres approches de la modélisation des noyaux d’étoiles à neutrons.
Ce que les chercheurs ont trouvé le plus excitant est que ce même modèle, tel qu’il est écrit, décrit l’interaction des nucléons à des distances extrêmement courtes, sans tenir compte explicitement des quarks et des gluons.
Les physiciens avaient supposé que dans des environnements extrêmement denses et chaotiques tels que les noyaux d’étoiles à neutrons, les interactions entre neutrons devaient céder la place aux forces plus complexes entre quarks et gluons.
Comme le modèle ne tient pas compte de ces interactions plus complexes et que ses prédictions à courte distance correspondent aux observations de l’équipe, il est probable que le cœur d’une étoile à neutrons puisse être décrit de manière moins compliquée.
“Les gens supposaient que le système était si dense qu’il devait être considéré comme une soupe de quarks et de gluons”, a déclaré le Dr Hen.
” Mais nous constatons que même aux densités les plus élevées, nous pouvons décrire ces interactions en utilisant des protons et des neutrons ; ils semblent conserver leur identité et ne se transforment pas en ce sac de quarks “. Les noyaux des étoiles à neutrons pourraient donc être beaucoup plus simples qu’on ne le pensait. C’est une énorme surprise”.
L’étude est publiée dans le journal Nature.
