La force est forte dans les étoiles à neutrons – ScienceDaily

La plupart des matières ordinaires sont maintenues ensemble par une colle subatomique invisible connue sous le nom de force nucléaire forte – l’une des quatre forces fondamentales de la nature, avec la gravité, l’électromagnétisme et la force faible. La force nucléaire puissante est responsable de la poussée et de la traction entre les protons et les neutrons dans le noyau d’un atome, ce qui empêche un atome de s’effondrer sur lui-même.

Dans les noyaux atomiques, la plupart des protons et des neutrons sont suffisamment éloignés pour que les physiciens puissent prédire avec précision leurs interactions. Cependant, ces prévisions sont remises en question lorsque les particules subatomiques sont si proches qu’elles sont pratiquement superposées.

Bien que ces interactions ultracourtes-distances soient rares dans la plupart des matières de la Terre, elles définissent le cœur des étoiles à neutrons et d’autres objets astrophysiques extrêmement denses. Depuis que les scientifiques ont commencé à explorer la physique nucléaire, ils ont du mal à expliquer comment la force nucléaire puissante se joue à de telles distances ultra-courtes.

Aujourd’hui, les physiciens du MIT et d’ailleurs ont pour la première fois caractérisé la force nucléaire puissante et les interactions entre protons et neutrons, à des distances extrêmement courtes.

Ils ont effectué une analyse approfondie des données sur les expériences précédentes d’accélérateur de particules, et ont constaté que la distance entre les protons et les neutrons devient plus courte, une transition surprenante se produit dans leurs interactions. Là où à de grandes distances, la force nucléaire puissante agit principalement pour attirer un proton vers un neutron, à de très courtes distances, la force devient essentiellement aveugle: des interactions peuvent se produire non seulement pour attirer un proton vers un neutron, mais aussi pour repousser ou pousser à part des paires de neutrons.

«C’est le premier regard très détaillé sur ce qui arrive à la force nucléaire puissante à très courte distance», explique Or Hen, professeur adjoint de physicien au MIT. “Cela a d’énormes implications, principalement pour les étoiles à neutrons et aussi pour la compréhension des systèmes nucléaires dans leur ensemble.”

Hen et ses collègues ont publié leurs résultats dans le journal La nature. Ses co-auteurs incluent le premier auteur Axel Schmidt PhD ’16, un ancien étudiant diplômé et postdoctoral, ainsi que l’étudiant diplômé Jackson Pybus, l’étudiant de premier cycle Adin Hrnjic et d’autres collègues du MIT, de l’Université hébraïque, de l’Université de Tel-Aviv, de l’Université Old Dominion, et des membres de la collaboration CLAS, un groupe multi-institutionnel de scientifiques impliqués dans le CEBAF Large Accelerator Spectrometer (CLAS), un accélérateur de particules au Jefferson Laboratory à Newport News, en Virginie.

Instantané d’une goutte d’étoile

Les interactions à ultra-courte distance entre protons et neutrons sont rares dans la plupart des noyaux atomiques. Leur détection nécessite de frapper des atomes avec un grand nombre d’électrons à très haute énergie, dont une fraction pourrait avoir une chance de chasser une paire de nucléons (protons ou neutrons) se déplaçant à un moment élevé – une indication que les particules doivent interagir à des distances extrêmement courtes.

“Pour faire ces expériences, vous avez besoin d’accélérateurs de particules à courant extrêmement élevé”, explique Hen. «Ce n’est que récemment que nous avons la capacité de détection et que nous comprenons suffisamment les processus pour effectuer ce type de travail.»

Hen et ses collègues ont recherché les interactions en extrayant des données précédemment collectées par CLAS, un détecteur de particules de la taille d’une maison au Jefferson Laboratory; l’accélérateur JLab produit des faisceaux d’électrons de haute intensité et de haute énergie sans précédent. Le détecteur CLAS était opérationnel de 1988 à 2012, et les résultats de ces expériences ont depuis été mis à la disposition des chercheurs pour rechercher d’autres phénomènes enfouis dans les données.

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont analysé une mine de données, représentant quelques quadrillions d’électrons frappant des noyaux atomiques dans le détecteur CLAS. Le faisceau d’électrons visait des feuilles en carbone, plomb, aluminium et fer, chacune avec des atomes de rapports variables protons / neutrons. Lorsqu’un électron entre en collision avec un proton ou un neutron dans un atome, l’énergie à laquelle il se disperse est proportionnelle à l’énergie et à l’impulsion du nucléon correspondant.

“Si je sais à quel point j’ai frappé quelque chose et à quelle vitesse il est sorti, je peux reconstruire l’élan initial de la chose qui a été lancée”, explique Hen.

Grâce à cette approche générale, l’équipe a examiné les quadrillions de collisions d’électrons et a réussi à isoler et à calculer la quantité de mouvement de plusieurs centaines de paires de nucléons à moment élevé. Hen compare ces paires à des “gouttelettes d’étoiles à neutrons”, car leur élan et leur distance inférée entre elles sont similaires aux conditions extrêmement denses du cœur d’une étoile à neutrons.

Ils ont traité chaque paire isolée comme un «instantané» et organisé les plusieurs centaines d’instantanés le long d’une distribution de quantité de mouvement. À l’extrémité inférieure de cette distribution, ils ont observé une suppression des paires proton-proton, indiquant que la force nucléaire forte agit principalement pour attirer les protons vers les neutrons à un momentum élevé et sur de courtes distances.

Plus loin le long de la distribution, ils ont observé une transition: il semblait y avoir plus de protons-protons et, par symétrie, des paires neutrons-neutrons, suggérant qu’à un moment plus élevé, ou sur des distances de plus en plus courtes, la force nucléaire puissante n’agit pas seulement sur les protons et neutrons, mais aussi sur les protons et les protons et les neutrons et les neutrons. Cette force d’appariement est réputée être de nature répulsive, ce qui signifie qu’à courte distance, les neutrons interagissent en se repoussant fortement.

“Cette idée d’un noyau répulsif dans la force nucléaire forte est quelque chose de jetée comme cette chose mythique qui existe, mais nous ne savons pas comment y arriver, comme ce portail d’un autre royaume”, dit Schmidt. “Et maintenant, nous avons des données où cette transition nous regarde en face, et c’était vraiment surprenant.”

Les chercheurs pensent que cette transition dans la force nucléaire puissante peut aider à mieux définir la structure d’une étoile à neutrons. Hen a précédemment trouvé des preuves que dans le noyau externe des étoiles à neutrons, les neutrons se couplent principalement avec des protons grâce à la forte attraction. Avec leur nouvelle étude, les chercheurs ont trouvé des preuves que lorsque les particules sont emballées dans des configurations beaucoup plus denses et séparées par des distances plus courtes, la force nucléaire forte crée une force répulsive entre les neutrons qui, au cœur d’une étoile à neutrons, aide à empêcher l’étoile de s’effondrer. sur lui-même.

Moins d’un sac de quarks

L’équipe a fait deux découvertes supplémentaires. D’une part, leurs observations correspondent aux prédictions d’un modèle étonnamment simple décrivant la formation de corrélations à courte portée en raison de la forte force nucléaire. D’autre part, contre toute attente, le cœur d’une étoile à neutrons peut être décrit strictement par les interactions entre protons et neutrons, sans avoir à prendre explicitement en compte les interactions plus complexes entre les quarks et les gluons qui composent les nucléons individuels.

Lorsque les chercheurs ont comparé leurs observations avec plusieurs modèles existants de la force nucléaire forte, ils ont trouvé une correspondance remarquable avec les prédictions d’Argonne V18, un modèle développé par un groupe de recherche au Laboratoire national d’Argonne, qui considérait 18 manières différentes dont les nucléons peuvent interagir, car ils sont séparés par des distances de plus en plus courtes.

Cela signifie que si les scientifiques veulent calculer les propriétés d’une étoile à neutrons, Hen dit qu’ils peuvent utiliser ce modèle Argonne V18 particulier pour estimer avec précision les fortes interactions de force nucléaire entre des paires de nucléons dans le cœur. Les nouvelles données peuvent également être utilisées pour comparer d’autres approches de modélisation des noyaux des étoiles à neutrons.

Ce que les chercheurs ont trouvé le plus excitant, c’est que ce même modèle, tel qu’il est écrit, décrit l’interaction des nucléons à des distances extrêmement courtes, sans tenir compte explicitement des quarks et des gluons. Les physiciens avaient supposé que dans des environnements extrêmement denses et chaotiques tels que les noyaux d’étoiles à neutrons, les interactions entre les neutrons devraient céder la place aux forces plus complexes entre les quarks et les gluons. Parce que le modèle ne prend pas en compte ces interactions plus complexes, et parce que ses prédictions à courte distance correspondent aux observations de l’équipe, Hen dit qu’il est probable que le noyau d’une étoile à neutrons puisse être décrit de manière moins compliquée.

“Les gens supposaient que le système était si dense qu’il devait être considéré comme une soupe de quarks et de gluons”, explique Hen. “Mais nous trouvons même aux densités les plus élevées, nous pouvons décrire ces interactions en utilisant des protons et des neutrons; ils semblent garder leur identité et ne se transforment pas en ce sac de quarks. Ainsi, les noyaux des étoiles à neutrons pourraient être beaucoup plus simples que les gens ne le pensaient. C’est une énorme surprise. “

Cette recherche a été financée en partie par le Bureau de la physique nucléaire du Bureau des sciences du Département américain de l’énergie.

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