Une nouvelle forme étrange de matière nucléaire pourrait se situer juste au-delà de la compréhension des expérimentateurs

En son centre, un résidu de supernova contient une étoile à neutrons, supposée contenir une soupe de matière de quarks. Une nouvelle étude suggère que la soupe peut manquer de quarks étranges.

Image: (rayons X) NASA / CXC / Université d'Amsterdam / N. Rea et al. ; (Optique) DSS

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, les restes d'une explosion d'étoiles de poids moyen grimpent d'un milliard de milliards de fois plus qu'au cœur du soleil. Pendant des décennies, certains physiciens théoriciens ont spéculé que dans ces conditions, un type bizarre de matière pourrait émerger: une soupe des particules subatomiques appelées quarks. Maintenant, une nouvelle analyse indique la recette pour cette soupe, appelée matière de quark froid, a besoin de révision. S'il est correct, il suggère que les accélérateurs de particules sur Terre pourraient produire des fragments stables de la matière quark. Il mettrait aussi le kibosh sur des particules hypothétiques appelées strangelets, que les alarmistes prétendaient autrefois détruire le monde.

"C'est un argument spéculatif, mais il n'y a rien de manifestement faux", dit Robert Pisarski, un théoricien du nucléaire au Brookhaven National Laboratory à Upton, New York, qui n'était pas impliqué dans le travail.

Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, eux-mêmes constitués de trios de quarks ascendants et descendants - deux des six «saveurs» des particules étroitement liées par la forte force nucléaire. Depuis les années 1970, certains théoriciens ont prédit que sous des pressions extrêmes comme celles des étoiles à neutrons, les quarks pourraient se libérer de leurs chaînes de force pour créer une soupe de matière de quarks froids. Ils ont également prédit que les ingrédients de la soupe seraient différents de ceux des protons et des neutrons. Leurs calculs ont suggéré que pour minimiser son énergie, la matière quark devrait inclure une troisième saveur de quarks connus sous le nom de quarks étranges.

Même si les quarks étranges n'émergent que de façon fugace, généralement dans les collisions sur les accélérateurs de particules, les calculs suggèrent que cette étrange matière quark pourrait avoir une énergie inférieure à celle de la matière nucléaire ordinaire. Cela signifie que les grains de matière quark étranges, ou strangelets, pourraient être stables et que, en principe, les noyaux ordinaires pourraient changer en eux. Cette transformation nécessiterait des conversions simultanées de quarks ascendants et descendants vers des quarks étranges, ce qui est peu susceptible de se produire spontanément à l'ère de l'univers. Mais les strangelets générés dans les rayons cosmiques ou s'attardant à des événements astrophysiques violents pourraient survivre indéfiniment. Les scientifiques les ont recherchés de plusieurs manières, jusqu'à présent sans succès.

Maintenant, Bob Holdom, un théoricien nucléaire à l'Université de Toronto au Canada, et ses collègues disent qu'ils ont banni la matière étrange du quark avec de meilleures estimations de la façon dont, par des effets quantiques, les quarks changent l'énergie du vide de l'espace lui-même. de l'énergie totale de la matière quark. «Notre modèle nous permet de voir comment l'énergie du vide dépend de la saveur du quark», explique Holdom. Le mélange dans des quarks étranges entraîne une plus grande pénalité énergétique que ce que l'on pensait auparavant, si élevé que la matière des quarks froids devrait être composée de quarks montants et descendants, rapportent les chercheurs dans un article sous presse. Lettres d'examen physique .

De toute évidence, les noyaux atomiques ne se transforment pas facilement en matière de quarks de haut en bas. L'équipe calcule que pour les masses inférieures à environ 300 fois celles du proton, les noyaux ordinaires sont stables car les effets proches de la tension de surface augmentent l'énergie de la matière quarkaire. Cependant, si les expérimentateurs qui s'efforcent de fabriquer de nouveaux éléments super-lourds pourraient pousser en masse juste au-delà du noyau le plus lourd encore identifié, avec une masse atomique de 294, alors ils pourraient faire des "pépites" stables de matière quark, le les théoriciens prédisent.

Est-ce la fin de l'étrange matière quark? Probablement pas, dit Pisarski. La théorie des quarks est si mathématiquement intraitable que, comme tout le monde, Holdom a dû recourir à des modèles approximatifs, dit-il. Laura Paulucci, astrophysicienne à l'Université fédérale de ABC à São Paulo, au Brésil, ajoute que l'analyse n'exclut pas non plus la matière étrange des quarks dans les étoiles à neutrons, où la densité devrait être significativement plus élevée que ne le supposent les théoriciens. "Je ne suis pas sûr que la théorie qu'ils utilisent soit adéquate" pour les conditions dans les étoiles à neutrons, dit-elle.

Selon Evan Finch, un expérimentateur de la Southern Connecticut State University à New Haven, cette étude pourrait être une bonne nouvelle pour les scientifiques qui recherchent des matières stables, en recherchant des strangelets en lançant de la poussière de lune à travers un spectromètre de masse et en recherchant des particules à charge impaire. rapports massiques. "Il y a une suggestion que peut-être nous avons regardé au mauvais endroit" pour l'affaire de quark, il dit. "Je suis un peu sceptique, mais c'est amusant."

La nouvelle image de la matière des quarks froids pourrait également dissiper une menace farfelue pour le monde. Les adversaires du Large Hadron Collider en Suisse avaient soutenu que le smasher d'atomes pourrait produire des strangelets chargés négativement qui engloutiraient des noyaux atomiques chargés positivement dans un processus d'emballement. Les physiciens avaient répliqué que si une telle catastrophe était possible, les strangelets de l'espace auraient depuis longtemps consommé la planète. La question du quark up-down exclurait définitivement le scénario du Doomsday: il devrait être chargé positivement et repousser les noyaux atomiques.

Pourtant, une pépite de la substance pourrait être utile, dit Holdom. Le bombarder avec des neutrons et il les convertirait en matière de quark tout en générant de l'énergie, prédit-il.

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