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Des supercalculateurs pour clarifier l'interaction forte
Que se serait-il passé si les plus minuscules composants de la matière avaient été dissemblables d'une manière ou d'une autre de ce qu'ils sont actuellement ; un peu, voire beaucoup ? Comment les choses auraient évolué si ces éléments fondamentaux avaient été différents lorsque l'Univers a démarré avec le Big Bang ? La matière comme nous la connaissons aurait-elle été la même ? Les êtres humains existeraient-ils ?
Les scientifiques commencent à trouver des réponses à certaines questions fondamentales de ce genre, grâce à des avancées dans les méthodes de calcul requises pour comprendre l'interaction nucléaire forte induite par les particules subatomiques appelées quarks et gluons, ces briques de base de la nature. L'interaction nucléaire forte qui lie ces particules, et dont l'étude s'appelle la chromodynamique quantique, est l'une des quatre forces fondamentales de la nature, avec la gravitation, l'électromagnétisme et la force faible. La force nucléaire forte est intense à toute petite distance, et lie les quarks et les gluons à l'intérieur des neutrons et des protons qui constituent le noyau des atomes. Les équations fondamentales qui décrivent cette force sont connues depuis le milieu des années 70, mais les physiciens savent encore très peu de chose sur la façon dont la force décrite par ces équations lie les protons et les neutrons dans le noyau atomique.
A l'aide d'un superordinateur géant et la méthode appelée la chromodynamique quantique sur réseaux, des chercheurs ont réussi à calculer les interactions entre neutrons et protons à partir des propriétés des quarks et des gluons. Le réseau divise essentiellement le continuum espace-temps selon une grille quadridimensionnelle, permettant aux chercheurs d'examiner les effets de la force forte, qui devient intense à des distances de 10 ^-15 mètre ou moins.
Selon Martin Savage, professeur de physique à l'université de Washington, ces nouveaux calculs sont un premier pas vers une meilleure compréhension de la manière dont les forces nucléaires émergent des interactions entre les quarks et les gluons. "Nous avons démontré que les techniques existent aujourd'hui pour calculer une réaction nucléaire à partir de la théorie sous-jacente de l'interaction forte", indique-t-il. "En termes de neutrons et protons c'est une réaction toute simple, mais c'est déjà un début".
Dans les faits, c'est suffisant pour que les physiciens théoriques commencent à aborder des questions du type: comment serait l'univers si les quarks avaient été un peu plus légers ou un peu plus lourds qu'ils ne sont réellement ? Ces travaux permettront également aux chercheurs d'exécuter des calculs qui pourraient, par exemple, approfondir nos connaissances sur ce à quoi ressemble l'intérieur d'un corps tel qu'une étoile à neutrons. "Cela nous aidera à comprendre jusqu'à quel point l'Univers est finement ajusté", remarque Savage. "Si l'on modifiait la valeur des constantes fondamentale de la nature, l'univers continuerait-il à produire des étoiles ? Ou des êtres humains ?"
Les travaux de l'équipe de chercheurs sont décrits dans l'édition du 7 juillet des Physical Review Letters. Posséder un cadre de travail et profiter du fait que les superordinateurs deviennent de plus en plus puissants pour calculer les interactions nucléaires en termes de quarks et gluons ouvre la voie à une meilleure compréhension de la nature de l'univers, selon Savage. "Nous pouvons commencer à analyser comment la structure des noyaux changerait si la masse des quarks différaient des valeurs trouvées dans la nature. Nous espérons pouvoir déterminer si ces valeurs, ou des valeurs très proches, sont nécessairement requises pour l'existence d'une vie basée sur le carbone dans notre univers, ou si toute autre valeur y pourvoirait".
Source: University of Washington
Illustration: Ian McVicar
Que se serait-il passé si les plus minuscules composants de la matière avaient été dissemblables d'une manière ou d'une autre de ce qu'ils sont actuellement ; un peu, voire beaucoup ? Comment les choses auraient évolué si ces éléments fondamentaux avaient été différents lorsque l'Univers a démarré avec le Big Bang ? La matière comme nous la connaissons aurait-elle été la même ? Les êtres humains existeraient-ils ?
Les scientifiques commencent à trouver des réponses à certaines questions fondamentales de ce genre, grâce à des avancées dans les méthodes de calcul requises pour comprendre l'interaction nucléaire forte induite par les particules subatomiques appelées quarks et gluons, ces briques de base de la nature. L'interaction nucléaire forte qui lie ces particules, et dont l'étude s'appelle la chromodynamique quantique, est l'une des quatre forces fondamentales de la nature, avec la gravitation, l'électromagnétisme et la force faible. La force nucléaire forte est intense à toute petite distance, et lie les quarks et les gluons à l'intérieur des neutrons et des protons qui constituent le noyau des atomes. Les équations fondamentales qui décrivent cette force sont connues depuis le milieu des années 70, mais les physiciens savent encore très peu de chose sur la façon dont la force décrite par ces équations lie les protons et les neutrons dans le noyau atomique.
A l'aide d'un superordinateur géant et la méthode appelée la chromodynamique quantique sur réseaux, des chercheurs ont réussi à calculer les interactions entre neutrons et protons à partir des propriétés des quarks et des gluons. Le réseau divise essentiellement le continuum espace-temps selon une grille quadridimensionnelle, permettant aux chercheurs d'examiner les effets de la force forte, qui devient intense à des distances de 10 ^-15 mètre ou moins.
Selon Martin Savage, professeur de physique à l'université de Washington, ces nouveaux calculs sont un premier pas vers une meilleure compréhension de la manière dont les forces nucléaires émergent des interactions entre les quarks et les gluons. "Nous avons démontré que les techniques existent aujourd'hui pour calculer une réaction nucléaire à partir de la théorie sous-jacente de l'interaction forte", indique-t-il. "En termes de neutrons et protons c'est une réaction toute simple, mais c'est déjà un début".
Dans les faits, c'est suffisant pour que les physiciens théoriques commencent à aborder des questions du type: comment serait l'univers si les quarks avaient été un peu plus légers ou un peu plus lourds qu'ils ne sont réellement ? Ces travaux permettront également aux chercheurs d'exécuter des calculs qui pourraient, par exemple, approfondir nos connaissances sur ce à quoi ressemble l'intérieur d'un corps tel qu'une étoile à neutrons. "Cela nous aidera à comprendre jusqu'à quel point l'Univers est finement ajusté", remarque Savage. "Si l'on modifiait la valeur des constantes fondamentale de la nature, l'univers continuerait-il à produire des étoiles ? Ou des êtres humains ?"
Les travaux de l'équipe de chercheurs sont décrits dans l'édition du 7 juillet des Physical Review Letters. Posséder un cadre de travail et profiter du fait que les superordinateurs deviennent de plus en plus puissants pour calculer les interactions nucléaires en termes de quarks et gluons ouvre la voie à une meilleure compréhension de la nature de l'univers, selon Savage. "Nous pouvons commencer à analyser comment la structure des noyaux changerait si la masse des quarks différaient des valeurs trouvées dans la nature. Nous espérons pouvoir déterminer si ces valeurs, ou des valeurs très proches, sont nécessairement requises pour l'existence d'une vie basée sur le carbone dans notre univers, ou si toute autre valeur y pourvoirait".
Source: University of Washington
Illustration: Ian McVicar
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