Que sont les gluons ?

Les gluons portent bien leur nom car ils sont la « colle » qui lie les quarks ensemble pour former des protons et des neutrons.

Ils sont porteurs d’une force puissante, l’une des quatre forces fondamentales. Les particules porteuses de force telles que le gluon, ainsi que le photon pour la force électromagnétique et les bosons W et Z pour la force faible, sont des particules sans masse avec un spin quantique de 1 et sont collectivement appelées « bosons de jauge ». .

f deux ou trois quarks. Par exemple, les protons et les neutrons qui forment les noyaux atomiques sont des hadrons et existent donc grâce aux quarks et aux gluons. Bien qu’associés aux gluons, les quarks diffèrent en ce sens que leur spin quantique est de 1/2 et qu’ils ont une masse, bien qu’infime (par exemple, un quark « up » a une masse de 2,01 MeV, et un quark « down » légèrement lourd à 4,79 MeV, respectivement un cinquième et la moitié de la masse d’un proton.

En relation: 10 choses étonnantes que vous devriez savoir sur la physique quantique

Preuve de gluons

Bien que les physiciens ne puissent pas voir les gluons individuellement, nous savons qu’ils existent grâce à des preuves circonstancielles qui ne peuvent être expliquées que par la présence de gluons.

Les gluons ont été découverts pour la première fois en 1979 lors d’une expérience au Tandem Ring Accelerator of Positron Electrons (PETRA). (s’ouvrira dans un nouvel onglet) au Laboratoire allemand de synchrotron électronique (DESY) en Allemagne. PETRA est un anneau de 1,4 mile (2,3 km), un peu comme une version miniature du Grand collisionneur de hadrons, sauf que PETRA accélère les leptons, en particulier les électrons et leurs équivalents antimatière, les positrons, plutôt que les protons et les noyaux atomiques.

Tunnel de l’accélérateur PETRA au synchrotron électronique allemand (DESY). (Crédit image : DESY) (s’ouvrira dans un nouvel onglet)

Lorsque la matière et l’antimatière se combinent, elles s’annihilent. En cas de collision d’électrons avec des positrons, la paire s’annihile et libère un quark et un antiquark. Deux quarks ne peuvent pas s’éloigner l’un de l’autre – plus ils essaient de s’éloigner, plus la force forte entre eux devient forte (au moins jusqu’à un certain point, environ 10^-15m, ou un femtomètre), l’excès d’énergie stockée permettant à la paire quark et antiquark de se désintégrer ou de se « hadroniser » en particules hadroniques, qui se forment dans une région conique le long des directions de mouvement du quark et de l’antiquark d’origine. Cette région conique de particules hadroniques s’appelle un jet, et une simple annihilation électron-positon produirait deux jets opposés correspondant à un quark et un antiquark.

Cependant, si les gluons sont réels, alors l’annihilation électron-positon doit également produire un gluon avec une paire quark-antiquark, et ce gluon doit également être hadroné dans le troisième jet. Pour conserver la quantité de mouvement, le gluon emporterait une partie de la quantité de mouvement de l’un des quarks, en changeant la direction de son jet de sorte que les jets hadronisés des quarks ne seraient plus directement opposés les uns aux autres, mais le jet reçu du gluon irait dans le même sens. C’est exactement ce qui a été observé dans l’expérience PETRA, ainsi que dans les expériences ultérieures confirmant l’existence du gluon.

Réponse d’expert aux questions fréquemment posées sur Gluon

Nous avons posé à Markus Diehl, expert en chromodynamique quantique au DESY Theory Group, quelques questions fréquemment posées sur les gluons.

Comment sait-on que les gluons existent ?

De nombreuses mesures très précises sont correctement expliquées par notre théorie des quarks et des gluons. Une manifestation plutôt directe – et historiquement la première – des gluons est la formation de trois pulvérisations distinctes de particules dans les collisions électron-positon. Ces événements avec trois jets de hadrons, comme nous les appelons, ont été observés pour la première fois au collisionneur DESY PETRA en 1979.

Pourquoi les gluons sont-ils importants ?

Les gluons sont responsables de la liaison des quarks entre eux et donc de la formation – et de nombreuses propriétés – des protons et des neutrons, les éléments constitutifs des noyaux atomiques.

Peut-on séparer les gluons et les quarks ?

À notre connaissance, les quarks et les gluons ne peuvent pas être observés sous forme de particules libres, mais ils donnent naissance à des jets de hadrons. En examinant de près la répartition des particules dans un jet, on peut déterminer s’il provient très probablement d’un gluon ou d’un quark.

Charge de couleur et chromodynamique quantique

La théorie quantique qui régit la physique de la force forte transportée par les gluons pour lier les quarks s’appelle la chromodynamique quantique. (s’ouvrira dans un nouvel onglet)ou QHD. Nommé par le célèbre lauréat du prix Nobel de physique des particules, Murray Gell-Mann. (s’ouvrira dans un nouvel onglet)La QCD s’articule autour de l’existence d’une propriété des quarks et des gluons appelée « charge de couleur » telle que décrite par les physiciens de la Georgia State University. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Ce n’est pas une vraie couleur et pas une vraie charge électrique (les gluons sont électriquement neutres) – il est ainsi nommé parce qu’il est analogue à la charge électrique en ce sens qu’il est la source d’une forte interaction entre les quarks et les gluons, tout comme la charge est la source d’interaction dans la force électromagnétique, tandis que les couleurs ne sont qu’un moyen arbitraire, bien que bizarre, de distinguer les différents quarks et leurs interactions avec la force forte via les gluons.

Les quarks peuvent avoir une charge de couleur appelée rouge, vert ou bleu, et il existe des versions positives et négatives (anti) de chacun. Les quarks peuvent changer de couleur lorsqu’ils interagissent, tandis que les gluons conservent leur charge de couleur. Par exemple, si un quark vert se transforme en quark bleu, le gluon doit être capable de porter une charge de couleur vert-bleu. La prise en compte de toutes les différentes combinaisons de couleurs et d’anticouleurs signifie qu’il doit y avoir 8 gluons différents au total, comme décrit par John Baez. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Comparez cela à la force électromagnétique, qui fonctionne selon la théorie de l’électrodynamique quantique (QED), dans laquelle il n’y a que deux charges possibles, positive ou négative. QCD est beaucoup plus compliqué que QED !

Plasma quark-gluon

Il n’est pas tout à fait vrai que les gluons et les quarks ne peuvent pas être séparés, mais cela nécessite des conditions très extrêmes, qui n’existent pas dans la nature depuis les premières infimes fractions de seconde après le Big Bang.

Quelques billionièmes de seconde après le Big Bang, la température du minuscule univers était encore énorme – mille billions de degrés. À cette époque, avant même la formation de tout hadron, l’univers naissant était rempli d’un mélange de quarks et de gluons libres connu sous le nom de plasma quark-gluon (plus des leptons comme les neutrinos et les électrons). Parce que l’univers était si chaud, les quarks et les gluons se précipitaient déliés à la vitesse de la lumière, rebondissant les uns sur les autres avec trop d’énergie même pour être liés par la force forte.

L’univers s’est refroidi très rapidement au fur et à mesure de son expansion, et au premier millionième de seconde, la température avait suffisamment baissé, à 2 000 milliards de degrés. (s’ouvrira dans un nouvel onglet)pour permettre à la force forte de lier les quarks et les gluons ensemble pour former les premiers hadrons.

Le plasma quark-gluon primordial peut être reproduit dans des expériences avec des accélérateurs de particules, par exemple au CERN ou au collisionneur relativiste d’ions lourds du Brookhaven National Laboratory. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Visualisation des données de collision de particules au Large Hadron Collider au CERN. (Crédit image : CERN) (s’ouvrira dans un nouvel onglet)

Les noyaux atomiques d’éléments lourds tels que l’or ou le plomb entrent en collision les uns avec les autres presque à la vitesse de la lumière, ce qui produit une boule de feu miniature qui devient brièvement assez chaude pour transformer les hadrons en plasma quark-gluon.

Presque instantanément, la boule de feu se refroidit et les quarks et les gluons se recombinent pour former des jets de hadrons, dont des mésons à deux quarks et des baryons à trois quarks. Le plasma quark-gluon est extrêmement dense, et souvent les jets de hadrons ont du mal à le traverser et perdent de l’énergie. Les physiciens appellent cela «l’extinction», comme le décrivent les physiciens du CERN. (s’ouvrira dans un nouvel onglet), ainsi que la quantité d’extinction, et la distribution et l’énergie globales des jets peuvent donner une bonne idée des propriétés du plasma quark-gluon. Par exemple, les physiciens ont appris qu’il se comporte plus comme un fluide idéal qui s’écoule avec une viscosité nulle que comme un gaz. En découvrant ces propriétés, la recréation du plasma quark-gluon dans les accélérateurs de particules pourrait donner aux scientifiques une fenêtre sur le passé, sur la naissance même de l’univers et les conséquences immédiates du Big Bang, lorsque la matière est apparue pour la première fois.

Ressources supplémentaires

Lisez l’histoire de la découverte des gluons en 1979 par les physiciens de DESY Ilka Flegel et Paul Söding au Courrier CERN. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Découvrez l’histoire de QCD (s’ouvrira dans un nouvel onglet), comme l’a dit l’un de ses pionniers, Harald Fritsch. Apprenez-en plus sur les quarks et les gluons grâce à ces ressources du DOE. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Découvrez la découverte du gluon et voyagez dans le temps jusqu’aux années 70 avec cet article de DESY. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Suivez Keith Cooper sur Twitter @21stCenturySETI. Suivez-nous sur Twitter @Spacedotcom (s’ouvrira dans un nouvel onglet) et sur facebook (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Bibliographie

Physique des particules, Brian R. Martin (2011, One-World Publications)

L’origine de l’univers: le fond cosmique des micro-ondes et la quête de la gravité quantique , Kate Cooper (2020, Icon Books)