Trouvera-t-on une application pratique aux quarks et à leur énergie d'interaction?
Un étang dans l'Univers
Tout ce qui nous entoure — le sol, les arbres, les animaux, les humains — se compose de quarks, particules élémentaires dont les propriétés sont très inhabituelles.
Les quarks n'existent pas séparément: ils forment des groupes, par exemple de protons et de neutrons, dans les noyaux de matière ordinaire. Entre eux, les quarks sont liés par des forces incroyables qu'il est impossible de rompre.
Les quarks sont des particules massives. Leur masse est due au condensat de vide qui occupe de manière homogène tout l'espace.
«Le vide est notre milieu d'habitat, dans lequel nous sommes tous plongés. On estimait auparavant que l'espace était absolument vide. A présent, nous avons compris que cela n'était pas vrai. L'espace est toujours comblé par quelque chose. Il est possible de le débarrasser des particules étrangères, mais pas complètement. De toute manière quelque chose reste, notamment le condensat de Higgs et de gluons», explique le docteur ès sciences mathématiques et physique Sergueï Baranov, chercheur au laboratoire d'interaction du rayonnement avec la matière de l'Institut de physique Lebedev.
Les condensats de vide sont également répartis dans l'espace, comme l'eau dans un étang, explique le scientifique. Quand l'eau est calme, nous ne la remarquons pas. Et quand le vent souffle, nous pouvons observer une ondulation.
Les quarks sont indivisibles, ils peuvent être qualifiés à juste titre de véritables briques de l'Univers. Le modèle standard décrit six types de quarks dans trois générations. Le plus lourd, le top-quark, a pu être découvert uniquement dans les accélérateurs les plus puissants (Tevatron, LHC).
En général, les quarks restent dans leurs «foyer» — les protons et les neutrons. Entre eux, ils sont très solidement collés par le condensat de gluons impossible à rompre. C'est seulement à très haute température et densité, dans les accélérateurs de particules, que les quarks quittent leur «foyer» et forment le plasma de quarks et de gluons.
Peut-on fissionner les quarks?
Les quarks et le condensat de gluons interagissent grâce à une caractéristique particulière — la couleur. Bien sûr, cela ne correspond pas à ce que nous appelons la couleur dans notre réalité.
Cependant, la nature est plus rusée. Dans un accélérateur, les quarks étirent le lacet de force qui les relie et, à un moment donné, ce dernier se rompt parce que c'est plus avantageux énergétiquement. Aux extrémités des lacets se forment alors de nouveaux quarks avec une masse égale à l'énergie dépensée pour la rupture. Et c'est toujours un couple qui apparaît — sur un lacet de couleur. C'est ce qu'on appelle le confinement.
«C'est une très bonne chose que les quarks soient reliés. S'ils s'éjectaient du noyau, cela formerait une terrible bombe quarkique dont l'énergie serait supérieure à celle d'une explosion nucléaire. Le défaut de la masse est proche de 100%», déclare Oleg Teriaev, chef de service au laboratoire de la physique des hautes énergies de l'Institut unifié de recherches nucléaires (Doubna).
Le confinement tire un trait sur la bombe quarkique. Il est impossible de fissionner les unions quarkiques pour lancer une réaction en chaîne de désintégration accompagnée d'une émission d'énergie à l'instar de la désintégration nucléaire.
«L'énergie n'est pas stockée dans les quarks: elle se transforme en une multitude de particules nées de ce choc. Pour l'instant, ce sont des jeux de réflexion qui n'ont pas d'utilité pratique apparente», conclut Sergueï Baranov.
Le thermonucléaire quarkique
Mais qu'en est-il de la synthèse des quarks? Selon une publication de physiciens israéliens et américains dans la revue Nature, la fusion de deux quarks stranges (ou étranges, c'est l'un de leurs types) avec la formation d'un diquark s'accompagne d'une émission énergétique de 12 mégaélectronvolts. C'est un peu moins que lors de la fusion de noyaux de deutérium et de tritium avec la formation d'un noyau d'hélium — la réaction utilisée dans une bombe à hydrogène. La fusion de deux B-quarks plus lourds produira 138 mégaélectronvolts.
Cependant, la synthèse quarkique est trop rapide pour réussir à l'envelopper ou à la retenir.
Dans son roman Le Lord de la planète Terre, Sergueï Loukianenko écrit: «La bombe quarkique a été utilisée dans un seul but. Et elle a été utilisée seulement deux fois, après quoi même les mondes les plus belliqueux ont adhéré au traité sur l'interdiction de cette arme. La bombe quarkique détruisait toute une planète. Il n'existait pas de protection contre celle-ci.»
«En lançant dans la matière quarkique une matière ordinaire, elle se transformera en matière quarkique, tout en émettant de l'énergie. Une partie sera emportée par un neutrino, une partie se transformera en chaleur», explique le docteur ès sciences physiques et mathématiques Sergueï Popov, chercheur à l'Institut d'État astronomique Sternberg.
Il ajoute que la substance quarkique ne peut pas absorber complètement notre monde: «Elle est chargée positivement, tout comme les noyaux atomiques. Par conséquent, la charge s'accumulera et l'absorption quarkique de la matière ralentira à un moment donné».
«Il faudra se débarrasser de la charge. En principe, il est possible d'inventer un moyen. Pourquoi pas? Les chercheurs tentent même de trouver un moyen pour puiser l'énergie dans l'Univers qui s'élargit. Nous ignorons si un tel processus est possible dans la nature et s'il sera possible de le manipuler. Mais en sachant que les problèmes sont techniques et non fondamentaux, je ne peux pas ne pas admettre cette idée dans un roman de science-fiction», déclare le scientifique.
Le pouls des étoiles
L'hypothèse de l'existence des quarks a été avancée par des chercheurs américains en 1964. L'année suivante, les physiciens soviétiques Dmitri Ivanenko et Dmitri Kourdguelaïdze ont supposé que dans certaines conditions, les quarks pouvaient exister séparément (déconfinement) et que par conséquent ils pouvaient constituer des éléments de matière et des étoiles. Les tentatives de trouver de tels objets dans l'espace n'ont pas encore abouti, ce qui ne signifie pas qu'ils n'existent pas.
«Peut-être que certaines étoiles à neutrons sont quarkiques, avec une fine couche de matière ordinaire», explique Sergueï Popov.
Les étoiles à neutrons sont très denses. Leur rayon est de seulement quelques dizaines de kilomètres. Il se pourrait qu'à l'intérieur elles se composent de quarks à part. Théoriquement, des étoiles entièrement quarkiques avec un rayon de 6-8 km sont également envisageables.
«Le rapprochement des neutrons provoquerait une mise en commun des quarks et formerait un noyau quarkique à l'intérieur de l'étoile. De tels noyaux apparaissent sous différentes formes. Mais à l'étape actuelle du développement de l'astrophysique d'observation, c'est impossible à confirmer ou à réfuter», précise Oleg Teriaev.
Des quarks à la louche
«Pendant une brève période, la matière quarkique apparaît dans les chocs d'ions lourds, par exemple d'or. Comme se forment les différents états de l'eau — liquide, glace, vapeur. La matière quarkique est un tel état en soi. Ses impuretés apparaissent dans différents processus, comme de petites gouttes», poursuit le chercheur.
Des expériences avec la matière quarkique et le plasma de quark et de gluon sont déjà menées. Les experts de Doubna adoptent une approche complètement différente du problème dans la construction de l'accélérateur de particules NICA. Mais ce sont des processus très brefs dont les physiciens prennent connaissance de manière indirecte. Il sera probablement impossible d'observer la matière quarkique directement.
Est-il même possible de la détecter?
«Il y avait une belle idée — trouver la matière qui s'échappe lors de la fusion des étoiles quarkiques. Contrairement aux neutrons, la matière quarkique est capable de rester dans un état stable. Elle s'échappe sous la forme de strangelets — ou gouttes étranges. Surviennent alors des phénomènes anormaux qui peuvent être captés par les détecteurs de rayons cosmiques grâce au rapport inhabituel masse-charge», explique Sergueï Popov.
Une autre idée consistait à capter les traces des strangelets traversant la Terre de part en part.
«En arrondissant, leur densité est dix fois supérieure à la densité nucléaire. Avec une grande masse ils peuvent être très compacts, pratiquement comme les trous noirs. En traversant la Terre à environ 500 km/s, un strangelet provoquera une faible sismicité. Par conséquent, nous avons cherché des signaux des sismographes situés loin l'un des autres en ligne directe», raconte l'astrophysicien.
Pendant un certain temps, le public se demandait si les strangelets étaient dangereux. Edward Witten, physicien-théoricien américain, auteur de l'hypothèse sur les morceaux de matière quarkique errant dans l'Univers depuis le Big Bang, a dû expliquer que les étranges gouttes n'étaient pas plus dangereuses que l'oxygène dans l'atmosphère. Toutefois, elles n'ont jamais été détectées.
«L'étude des quarks est une acquisition de la connaissance fondamentale applicable dans l'énergie nucléaire», estime Oleg Teriaev.
D'après lui, la matière quarkique doit être considérée comme quelque chose d'intermédiaire, comme un catalyseur. Les gouttes de quarks, malgré leur petite taille, pourraient probablement servir dans un type de réactions.
