Pendant des décennies, notre compréhension de la structure interne des protons a reposé sur les bases de la physique classique. Pourtant, nous savons depuis plus d’un siècle que la meilleure description du monde des particules nous vient de la physique quantique, cette mécanique à la fois exotique et fascinante.
Les modèles traditionnels considèrent les quarks et les gluons, ces particules présentes à l’intérieur des protons, comme des entités essentiellement indépendantes. Selon cette approche, chacune d’elles serait responsable d’une fraction du moment total du proton, avec une probabilité donnée. Si cette description fonctionne bien dans la pratique, elle ne rend pas compte des corrélations quantiques entre ces particules. En réalité, quarks et gluons se comportent comme des objets strictement quantiques.
Cela signifie qu’il peut exister des superpositions entre ces particules, les faisant agir comme un système unique entrelacé. Jusqu’à récemment, il était difficile de vérifier expérimentalement ces caractéristiques quantiques. Heureusement, les avancées des accélérateurs de particules permettent désormais aux chercheurs d’aborder cette étude avec une nouvelle perspective. Ce que trois chercheurs ont découvert récemment est captivant : la nature quantique du proton est bien plus profonde qu’on ne le pensait.
Interférences quantiques entre quarks et gluons
Les physiciens Alexey Vladimirov de l’Université Complutense de Madrid, Guillermo Portela de DESY Hambourg et Simone Rodini de l’Università degli Studi di Pavia ont publié un article dans Physical Review Letters, où ils présentent la première preuve expérimentale d’un phénomène d’interférence quantique entre les quarks et les gluons du proton. Bien que ce phénomène ait été prédit par la théorie, il n’avait jusqu’ici pas été observé expérimentalement.
Une première observation expérimentale d’un phénomène prédit par la théorie
En effet, ces trois scientifiques ont réussi à obtenir, pour la première fois, des preuves expérimentales à partir des données fournies par les accélérateurs de particules. Une des conclusions qu’ils ont tirées est que les quantités responsables de l’interférence quantique entre quarks et gluons sont des fonctions de distribution très différentes des fonctions standard.
C’est cela qui les a conduits à admettre que la nature quantique du proton est plus complexe que ce qu’on avait observé jusqu’à présent. Curieusement, les physiciens ont mis du temps à établir cette description, ayant présumé, sur la base de concepts classiques, l’existence d’une structure bidimensionnelle qui, en réalité, n’existe pas.
Quoi qu’il en soit, cette nouvelle compréhension de la structure interne des protons est cruciale car elle éclaire la question du spin du proton. Les quarks n’expliquent qu’entre 4 % et 24 % du spin total du proton. Désormais, les physiciens réalisent que ce dernier est également déterminé par le spin des gluons et le moment angulaire orbital des quarks et des gluons. Une mine d’informations nouvelles.
En outre, comme nous l’avons vu, ces conclusions reposent sur des données expérimentales et non seulement sur des modèles théoriques. Néanmoins, les auteurs de cet article admettent que les données actuelles ne suffisent pas à identifier quel modèle théorique rend le mieux compte de cette interférence au sein du proton.
Image | Générée par Xataka avec Gemini
Points à retenir
- Les quarks et les gluons ne sont pas simplement indépendants, mais forment un système entrelacé.
- La première preuve expérimentale d’interférence quantique a été obtenue grâce à des données d’accélérateurs.
- La compréhension actuelle remet en question les modèles bidimensionnels établis par la physique classique.
- Le spin du proton est affecté par plusieurs facteurs, pas seulement les quarks.
- Les découvertes récentes soulignent la nécessité de nouveaux modèles théoriques pour expliquer ces phénomènes.
Il est fascinant de voir comment nos connaissances en physique évoluent avec des découvertes qui chalensent nos compréhensions antérieures. En tant que passionné de science, je trouve que chaque avancée nous rapproche un peu plus de la vérité sur la nature des particules. Cela me pousse à m’interroger : jusqu’où irons-nous dans notre quête pour comprendre l’univers ? La science n’est-elle pas avant tout un voyage vers l’inconnu, une aventure qui ne fait que commencer ?