Qu’Est-Ce Qui Rend la Force Forte Si Spéciale?

Paul M. Sutter est astrophysicien à l’Université d’État de l’Ohio, animateur de Ask a Spaceman et de Space Radio, et auteur de Your Place in the Universe. Sutter a contribué cet article à Space.com Voix d’experts : Op-Ed &Insights.

Les quatre forces connues de la nature ont leur place unique. Gravité, électromagnétisme, nucléaire faible, nucléaire fort: Chacun régit un petit domaine de nos vies. Alors que nos expériences quotidiennes sont dominées par la gravité de la Terre et l’électromagnétisme de la lumière et des aimants pour réfrigérateur, les forces nucléaires jumelles jouent également un rôle clé — à très, très petites échelles.

Comment minuscule? Imaginez-vous en train de monter en flèche pour devenir la taille du système solaire. Vos mains nagent à travers le nuage d’Oort lui-même, les planètes se nichent au-dessus de votre nombril. Vous êtes si gros que les signaux électriques mettent des semaines, voire des mois, à traverser votre système nerveux, rendant même les gestes les plus simples terriblement lents.

C’est la différence entre votre taille actuelle (environ quelques mètres) et 10^15 mètres.

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Maintenant, exécutez-le en sens inverse. Imaginez une échelle si petite que votre corps actuel se sent aussi vaste que le système solaire. Une échelle où vos mouvements s’enchaînent au rythme le plus lent. Cette échelle incroyablement minuscule est le femtomètre: 10 ^-15 mètres. C’est l’échelle du noyau atomique.

Dans le proton

De là-haut, il est tentant de considérer le proton comme une seule particule. Une coquille dure de charge et de masse positives, capable de rebondir et de frapper aussi facilement qu’une balle de billard. Mais en réalité, un proton est composé de trois particules plus petites. Ces particules portent le nom délicieusement décalé de quarks. Il y a un total de six types de quarks dans la nature, mais pour notre examen attentif du proton, nous n’avons besoin de nous soucier que de deux d’entre eux, appelés quarks haut et bas.

Comme je l’ai dit, un proton est un triplet de quarks : deux quarks ascendants et un quark descendant. Ces quarks se lient en équipe, et cette équipe liée est ce que nous appelons un proton.

Sauf que cela ne devrait pas avoir de sens.

Les deux quarks up ont exactement la même charge électrique (parce qu’ils sont exactement le même type de particule), donc ils devraient absolument se détester. Comment restent-ils si étroitement collés?

Et de plus, nous savons par la mécanique quantique que deux quarks ne peuvent pas partager exactement le même état — vous ne pouvez pas avoir deux du même genre liés ensemble comme ça. Ces deux quarks up ne devraient pas pouvoir coexister comme ça. Et pourtant, non seulement ils se tolèrent, mais ils semblent vraiment apprécier la compagnie!

Que se passe-t-il ?

Une couleur différente

Dans les années 1950 et 60, les physiciens ont commencé à réaliser que le proton n’est pas fondamental — il peut être décomposé en plus petites parties. Ils ont donc fait un tas d’expériences et développé un tas de théories pour casser cet écrou particulier. Et ils se sont immédiatement heurtés à a) l’existence des quarks et b) les énigmes déroutantes ci-dessus.

Quelque chose tenait ces trois quarks ensemble. Quelque chose de vraiment, vraiment fort. Une nouvelle force de la nature.

La force forte.

La force forte alors supposée a résolu les problèmes de coexistence des quarks par simple force brute. Tu n’aimes pas être ensemble parce que tu ne peux pas partager le même état ? Eh bien, dommage, la force forte va vous faire le faire de toute façon, et cela va fournir un moyen de contourner ce problème.

Et chaque force a un point de connexion. Crochet. Une façon de dire à cette force combien vous en êtes affecté. Pour la force électromagnétique, c’est la charge électrique. Pour la gravité, c’est la masse. Pour la force nucléaire forte, les physiciens ont dû trouver un nouveau crochet. Un moyen pour un quark de se connecter à un autre quark via cette force. Et les physiciens ont choisi le mot couleur.

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Ainsi, si vous ou une particule que vous connaissez avez cette nouvelle propriété appelée couleur, alors vous ressentez la force nucléaire forte. Votre couleur peut être rouge, verte ou bleue (il y a aussi des anti-rouge, anti-vert et anti-bleu, car bien sûr, la vie n’est pas si simple). Pour construire une particule comme un proton, toutes les couleurs des quarks doivent s’additionner au blanc. Ainsi, un quark est affecté au rouge, l’autre au vert et le dernier au bleu. L’affectation particulière de la couleur n’a pas d’importance (et, en fait, les quarks individuels changent constamment de couleur), ce qui compte, c’est qu’ils s’additionnent tous au blanc et que la force forte peut faire son travail.

Cette nouvelle propriété de la couleur est ce qui permet aux quarks de partager un état à l’intérieur d’un proton. Avec la couleur, il n’y a pas deux quarks exactement identiques — ils ont maintenant des couleurs différentes.

Super force

Imaginez prendre deux petites pinces et saisir deux quarks dans le proton. Vous vous entraînez, de sorte que vous êtes capable de surmonter la force de la forte force nucléaire qui les maintient ensemble.

Mais voici quelque chose de bizarre à propos de la force forte: elle ne diminue pas avec la distance. D’autres forces, comme la gravité et l’électromagnétisme, le font. Mais la force forte reste aussi forte qu’elle l’est toujours, quelle que soit la distance entre ces quarks.

Alors que vous tirez sur ces quarks, vous devez continuer à ajouter de plus en plus d’énergie pour maintenir la séparation. Vous ajoutez finalement tellement d’énergie que, l’énergie étant équivalente à la masse et tout cela, de nouvelles particules apparaissent dans le vide entre les quarks. De nouvelles particules comme other d’autres quarks.

Ces nouveaux quarks trouvent presque immédiatement leurs amis nouvellement séparés et se lient ensemble, jetant tout votre travail acharné et votre sueur en un seul éclair d’énergie avant que la distance entre eux ne soit même perceptible. Au moment où vous pensez avoir séparé les quarks, ils en ont déjà trouvé de nouveaux auxquels se lier. Cet effet est connu sous le nom de confinement des quarks: La force forte est en fait si forte qu’elle nous empêche de voir un quark isolément.

C’est dommage que nous ne verrons jamais quelle est sa couleur.

En savoir plus en écoutant l’épisode « Qu’est-ce qui rend la force forte si forte? » sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Kayja N. et Ter B. pour les questions qui ont conduit à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter .

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