Les physiciens déterminent le couplage de la force forte aux distances les plus grandes jamais atteintes.

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La force forte, également appelée force nucléaire forte, est l’une des quatre forces fondamentales de la nature, avec la gravité, la force électromagnétique et la force nucléaire faible. Comme son nom l’indique, la force forte est la plus puissante des quatre ; cependant, elle a également la portée la plus courte, ce qui signifie que les particules doivent être extrêmement proches pour que ses effets se fassent sentir. Son rôle principal est de maintenir ensemble les particules subatomiques du noyau (protons et neutrons). Dans une nouvelle recherche, des physiciens du Thomas Jefferson National Accelerator Facility ont extrait expérimentalement la force de la force forte. Connue sous le nom de couplage de la force forte, cette quantité décrit la force avec laquelle deux corps interagissent ou se “couplent” sous l’effet de cette force. Le couplage de la force forte varie en fonction de la distance entre les particules affectées par la force. Avant cette recherche, les théories étaient en désaccord sur la façon dont le couplage de la force forte devait se comporter à grande distance : certaines prédisaient qu’il devait augmenter avec la distance, d’autres qu’il devait diminuer, et d’autres encore qu’il devait devenir constant. Grâce aux nouvelles données, les chercheurs ont pu déterminer le couplage de force à la plus grande distance jamais observée.

La force forte est la force fondamentale qui lie des particules plus petites appelées quarks à des particules plus grandes appelées protons et neutrons. Crédit image : Gerd Altmann.

La force forte est la force fondamentale qui lie des particules plus petites appelées quarks à des particules plus grandes appelées protons et neutrons. Crédit photo : Gerd Altmann.

A des distances plus petites entre les quarks, le couplage de la force forte est faible, et les physiciens peuvent le résoudre avec une méthode itérative standard.

A des distances plus grandes, cependant, le couplage de force forte devient si important que la méthode itérative ne fonctionne plus.

“C’est à la fois une malédiction et une bénédiction”, a déclaré Alexandre Deur, physicien au Thomas Jefferson National Accelerator Facility et au département de physique de l’université de Virginie.

“Bien que nous devions utiliser des techniques plus compliquées pour calculer cette quantité, sa simple valeur libère une foule de phénomènes émergents très importants.”

Malgré le défi de ne pas pouvoir utiliser la méthode itérative, le Dr Deur et ses collègues ont extrait un fort couplage de force aux plus grandes distances jamais atteintes entre les corps affectés.

Ils ont extrait cette valeur d’une poignée d’expériences menées au CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) qui étaient en fait conçues pour étudier quelque chose de complètement différent : le spin des protons et des neutrons.

Le CEBAF est capable de fournir des faisceaux d’électrons polarisés, qui peuvent être dirigés sur des cibles spécialisées contenant des protons et des neutrons polarisés dans les salles d’expérimentation.

Lorsqu’un faisceau d’électrons est polarisé, cela signifie que la majorité des électrons tournent tous dans la même direction.

Ces expériences ont tiré des faisceaux d’électrons polarisés sur des cibles polarisées de protons ou de neutrons.

Au cours des nombreuses années d’analyse des données qui ont suivi, les chercheurs ont réalisé qu’ils pouvaient combiner les informations recueillies sur le proton et le neutron pour extraire un couplage de force fort à de plus grandes distances.

“Seul le faisceau d’électrons polarisés à haute performance du CEBAF, combiné aux développements des cibles polarisées et des systèmes de détection, nous a permis d’obtenir de telles données”, a déclaré le Dr Jian-Ping Chen, physicien au Thomas Jefferson National Accelerator Facility.

Les auteurs ont constaté qu’à mesure que la distance augmente entre les corps concernés, le couplage des forces fortes croît rapidement avant de se stabiliser et de devenir constant.

“Il existe certaines théories qui prédisent que cela devrait être le cas, mais c’est la première fois que nous l’avons constaté expérimentalement”, a déclaré le Dr Chen.

“Cela nous donne des détails sur la façon dont la force forte, à l’échelle des quarks formant les protons et les neutrons, fonctionne réellement”.

Les résultats de l’équipe ont été publiés dans le journal. Particles.

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