Le moisde septembre du magazine « Pour la science » vient de raviver le malaise que me provoque la chromo dynamique quantique quand elle est sommée d’expliquer les découvertes récentes des pentaquarks. Cf l’article publié par ROLF ENT/THOMAS ULRICH/RAJU VENUGOPALAN …..Pour les lecteurs fidèles qui lisent mes articles spécialisés du « Monde selon la PHYSIQUE »voir mes archives du mois dernier
J’étais resté pourtant longtemps sous le charme de la conférence de DAVID GROSS àPrinceton jusqu’au jour (2014) où fut déjà remis en questionle problème de la répartition fine des spinsdes quarks à l’intérieur du proton ou du neutron ….Jusque-là , moi physicien ébloui ,je m’étais contenté de règles d’arithmétique élémentaire :en charges électriques un proton c’est 2u+1d , donc 2(+2/3)+(-1/3) =+1 . et un neutron c’est 2d+1u,donc 2(-1/3 )+1 /3=0 ……Et bien hélas , j’avais tort autre part !Le Monde se refuse à être simple !
Il se révèle, en effet, quedans certaines expériences de protons bombardés par des faisceaux d’électrons de très haute intensité on peut obtenir des chocs « profondément inélastiques » et les analyser…Il en ressort que les médiateurs des forces qui relient les quarks entre eux et qu’on nomme gluons sont porteurs eux-mêmesd’un spin !Les manips donneraient comme ordre de grandeur un peu plus que 10% du spin du proton !.....Si je ne suis pas tombé ce jour-là de mon fauteuil, c’est parce que les bras du susdit remontaient haut ! Car tous les vecteurs d ‘ énergie sont censés présenter ( tels les photons ) un spin entier !Et si maintenant on vient de me dire que les gluons ne sont pas tout à fait des bosons , il faut qu’ on m’en donne les preuves expérimentales…..
MAIS LA SUITE FUT PIRE !je rappelle que c’est en 1969 que l’analyse d’ électrons très énergiques et déviés en traversant des protons a permis de révéler l’existence de constituants internes, les quarks , et peu à peu les manips en ont détecté 6 variétéset 6 anti variétés …La suite du travail a consisté ensuite à définir les conditions expérimentales des bonnes manipspour en mesurerla masse ….et ça n’ a pas été simple pour en avoir ne serait -cequ’une idée approximative …..Et pourquoi me direz-vous ? Et bien parce que ce qui les lie entre eux, ces gluons , en constituent une partie…..en clair il faut additionner les masses des 3 quarks à celles des « masses-énergie » des gluons pour retrouver la masse du proton ou du neutron ….Mais OLIVIER , vous exclamez-vous , voilà une deuxièmeoccasion de tomber de votre fauteuil !
Pourquoi ?Parce qu’ unboson n’a pas de masse ; iln’est qu’énergie ;il a le droit de bouger , telle une ondeet de présenter une énergie cinétique ( donc l’équivalent d’une masse) et par conséquent on peut supposer qu’ un proton immobile présentera desmasses degluons dont la valeur pourra être moyennéeet permettra de connaitre leur contributionà la masse du proton ….Alors, cette fois ci , tombez pour de bon de votre fauteuil :les gluons peuvent représenter jusqu‘à 98% de la masse du proton !Et je vous expliquerai dans ma suite ce que les manips racontent…..
Resté sur ces incertitudes, je me suis mis, il y a environ un an , à travailler à une « imagerie pédagogique » pourexpliquer tout ceci à mes lecteurs . Ceux qui ,parmi eux ont le plus de mémoire se rappellent peut êtredes résultats de mes calculs et des graphiques que je vous avais proposés alors .J’y reviens aujourd’huiavec des représentations encore plus « trivialement scolaires……Imaginons donc les quarkscomme des billes sphériques en rotationet de diamètre différents suivant leur variété ….Chacune de ces billes dispose de deux crochets mobiles situés dans leur plan équatorial ….Ces crochets correspondent a des pointsd’action de deux types d’interaction .Le premier estcelui de l’interaction des charges électriquesportées ( répulsives si charges de même signe , attractives si charges de signe contraire ). Le secondcorrespond à l’interaction forte , dite « de couleur » des quarks entre eux .Les lois évaluant les forces respectives des deux types d’interaction sont fonction de la distance mutuelle D entre les quarks et mathématiquement très différentes. La répulsion ou l’attraction des chargesélectriquess’exprime au moyen de la loi classique deCOULOMB en 1/D² .tandis que la répulsion ou l’attraction des charges de couleur est décritepar unefonction sigmoïde « déformée « puis interrompue !
A ceci ,il fallait ajouter , l’attraction gravitationnelle des masses des trois quarks entre eux et si l’on se permet de supposerqu’elle joue encore un rôle malgré leurs masses faibles , cela reviens a devoir traiter mathématiquement le terrible problème astral des trois corps , qui a tant embêtéHENRI POINCARE .Dans mon calcul approximatifje l’avais laisser tomber !
Je vous avais donc signalé que décrire les mouvements de trois quarks de deux espèces différentes, de diamètre d(d) et d (u)et mobiles dans un volume sphérique global de la taille d’un proton ou d’un neutronne peut être résolu que par desapproximations successives …. Accrochons à chacun des trois quarks un premierressort très puissant(ou un élastique ) de longueur d’extensionmaxi égale à2d(u) +d(d).Il leur laisse une liberté de mouvement quasi-totaleen positions de « touche -touche » mais se rompt quand l’extension maxi est atteinte . Surajoutonsun deuxième ressortqui lui se déformeet qui décritl’interaction soit positive soit négative entre les charges électriques des quarks . Ce ressortfaiblit quand les distances inter quarks augmententmais « fait la loi »( domine) quand les trois quarkssonttrès proches ….Je vous en avais décrit le résultat approximatif :pour un proton au « repos », le ballet des trois quarksse représente dans l’espace par une danse ou le protagoniste de charge + ou - passe périodiquement entre les deux autres….Il y a donc dans un gluon une double contribution mixte de charge électrique et une seconde de charge de couleur …..Ce qui explique sa complexité !
Ce n’est pas tout !
a suivre