Avec le plus grand supercalculateur d'Europe, les physiciens calculent pour la première fois la masse exacte de protons et de neutrons - confirmation de la chromodynamique quantique
Julich - Quelle est l'origine de la masse? Les physiciens veulent répondre à cette question de l'année prochaine avec des mesures sur l'accélérateur circulaire de 27 km, le Large Hadron Collider (LHC) du centre de recherche du CERN à Genève. Sans ces expériences élaborées, une équipe de recherche internationale a calculé pour la première fois la masse des plus importants éléments constitutifs de la matière, des protons et des neutrons. Leurs simulations informatiques, qu'ils présentent dans la revue "Science", sous-tendent la théorie complexe de la chromodynamique quantique.
"Plus de 99,9% de la masse de matière visible provient des protons et des neutrons", explique Zoltan Fodor, qui a dirigé le projet de recherche sur le supercalculateur Jülich JUGENE. Mais la masse de ces blocs de construction, qui constituent tous les noyaux atomiques, n’est pas facilement tangible. Parce que dans le modèle le plus simple, ils ne sont composés que de trois quarks. La masse des trois quarks, cependant, ne regroupe qu’environ cinq pour cent de la masse d’un module central sur les balances. Les 95% restants se cachent dans la force qui unit les trois quarks.
Selon la théorie actuelle de la chromodynamique quantique, de nombreuses particules adhésives, les gluons, assurent la médiation de la force forte entre les quarks. Mais l’interaction entre les quarks et les gluons est si compliquée qu’elle ne peut pas être calculée et prise en nombre exact. Fodor et ses collègues ont surmonté cet obstacle avec le supercalculateur de Jülich. «C’est l’un des travaux les plus intensifs en calcul de l’histoire de l’humanité», déclare Fodor. Pour les calculs, les physiciens ont décomposé l'espace et le temps dans une grille à quatre dimensions à mailles serrées. Ce faisant, ils ont résolu les équations complexes de la chromodynamique quantique pour les points individuels de ce réseau. Avec la réduction des distances de ces points de réseau, ils se rapprochent de plus en plus de la réalité, de l'espace-temps continu, et reçoivent des nombres concrets pour la masse de protons et de neutrons.
Leurs valeurs coïncidaient exactement avec les mesures précédentes aux différents accélérateurs de particules. "Nous avons montré que la chromodynamique quantique est bien une description correcte de l'interaction forte", déclare Fodor. Cela clarifie l'origine de la majeure partie de la masse de matière visible. La revue "Science" considère même ce succès comme une étape importante dans les 30 années de physique théorique et informatique.
Cependant, le gros de la masse totale de l'univers, que les physiciens appellent matière noire, reste énigmatique. "D'où cette matière noire a sa masse, nous n'avons jusqu'à présent aucune explication", dit Fodor. Peut-être que dans les prochaines années, le LHC fournira les premières réponses à cette question ouverte.