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Les masses des quarks légers sont désormais mieux connues

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Par Laurent Sacco, Futura

Grâce à des calculs sur ordinateurs, les masses des quarks légers composant les protons et les neutrons sont maintenant connues avec plus de précisions. Ces nouvelles données seront précieuses pour découvrir une nouvelle physique dans les collisions de protons au LHC.

Les barres horizontales donnent les valeurs expérimentales des quarks légers déterminées avec des erreurs indiquées par les largeurs des bandes. Grâce aux calculs sur réseaux, les estimations des masses sont devenues plus précises et sont indiquées par les petits cercles. Crédit High Precision QCD (HPQCD) collaboration

On a coutume de dire que les protons et les neutrons sont constitués de trois quarks mais cette simplification ne rend pas compte de la complexité d'un nucléon. Ainsi, on pourrait en déduire que la masse d'un proton est à peu de chose près la masse de ses constituants, tout comme la masse d'un atome de deutérium est à une bonne approximation près la somme des masses d'un neutron, d'un proton et d'un électron. Ce serait une erreur...

En effet, contrairement aux forces de liaisons électromagnétiques qui sont faibles et n'influent que peu sur la masse d'un atome léger, les forces nucléaire entre quarks au sein d'un nucléon sont si fortes qu'elles dominent largement par leur contribution énergétique celle des masses des quarks dit de valence.

Les 3 quarks d'un nucléon génèrent un champ de gluons si intense que des paires de quarks-antiquarks apparaissent et disparaissent. Dans un proton, elles sont même dominantes par rapport aux quarks de valence.

En plus, contrairement aux photons, les gluons, les particules médiatrices de l'interaction forte entre les quarks, s'attirent les uns les autres. Il en résulte que l'intérieur d'un proton ou d'un neutron est en réalité très compliqué et que des effets non-linéaires changent la nature même de ce qu'il faut entendre par une particule composée de trois quarks.

On a ainsi découvert que la « mer » de gluons et de paires de quarks entourant les quarks de valence les faisait apparaître comme plus lourds qu'ils ne le sont en réalité. On fait donc la différence entre les quarks de valence « nus » et les quarks constituants « habillés ». Il n'est pas facile pour des hadrons légers comme le proton ou les mésons pi et K de déterminer par le calcul et à partir des mesures quelles sont les masses des quarks de valence « u », « d » et « s ». En revanche, pour des hadrons plus lourds contenant des quarks charmés (« c »), beau (« b ») ou top (« t »), il est plus facile d'obtenir ces informations.

Lorsque des effets non-linéaires apparaissent dans des équations, il est difficile de trouver des solutions analytiques. C'est pourquoi on a recours à l'ordinateur. C'est le cas par exemple en mécanique des fluides, appliquée à la météorologie ou à l'étude des écoulements autour de surfaces portantes d'avions.

La solution consiste alors à discrétiser (au sens mathématique de rendre discontinu) les équations sur un réseau avec des intervalles d'espace et de temps. Le même procédé peut être utilisé avec les équations de la chromodynamique quantique, la QCD, qui décrit les quarks et les gluons. A la fin de l'année 2008, un groupe de chercheurs a annoncé avoir réussi à dériver, grâce aux simulations numériques dites de QCD sur réseaux, la masse du proton et d'autres hadrons légers.

Cette année, des chercheurs groupés autour de Christine Davies, de l'Université de Glasgow, ont en quelque sorte pris le problème dans l'autre sens. Ils ont annoncé avoir déterminer avec une précision 20 fois supérieure à celle obtenue jusque-là, la masse des quarks légers, « u », « d » et « s ».

Ils ont bien sûr encore mobilisé la QCD sur réseaux mais surtout, au lieu de chercher à déterminer séparément les masses des quarks, ils se sont concentrés sur des rapports de masses, en particulier le rapport de celles du quark charmé « c » sur celle du quark étrange « s » que l'expérience peut fournir avec une faible incertitude. Ils ont ainsi amélioré les précédents calculs sur réseaux portant sur les masses des quarks.

Les masses mu et md des quarks « u » et « d » étaient connues à 30% près mais dans la publication que les chercheurs viennent de publier sur arXiv, ils affirment avoir maintenant des valeurs précises à 1,5% près. Ainsi, ils donnent comme nouvelles valeurs :

mu = 2,01 +/- 0,14 MeV
md = 4,79 +/- 0,16 MeV

ce qui représente respectivement 0,214 % et 0,510 % de la masse du proton.

La prise de données a commencé dans les détecteurs du LHC avec les premières collisions à 7 TeV. Dans quelques mois, les chercheurs partiront à la chasse à des nouvelles particules au-delà du modèle standard. Le gain de précision obtenu dans la masse des quarks sera précieux pour faire ressortir un faible signal laissé par l'existence de particules supersymétriques ou d'une nouvelle force inconnue jusqu'ici.

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