Nouvelles de la physique (12/08)

1er  décembre 2008 | par Jean Zin


-  Le secret de la masse du proton percé
-  Détection de matière noire et de dimensions supplémentaires ?
-  Le LHC pas avant 2010 ?
-  Production en masse d’anti-matière
-  Les glaciers cachés de Mars dévoilés par un radar
-  L’hadéen favorable à la vie il y a 4 milliards d’années ?


Brèves du mois : physique - climat - biologie - santé - technologies

Revue des sciences 12/08



cosmologie, astronomie, physique quantique



- Le secret de la masse du proton est percé

Voilà qui semble plus satisfaisant que le boson de Higgs, expliquer la masse par l'énergie mais ce qui est étonnant, c'est que la masse du proton ne soit pas du tout l'addition de celle des 3 quarks qui le composent, ce qui n'expliquerait que 5% de sa masse, mais essentiellement par les interactions entre quarks qui augmentent donc son énergie considérablement, énergie de liaison qui explique que les protons ne se désintègrent pas sans doute, mais c'est quand même très étonnant.

Dans les noyaux des atomes, on trouve des protons et des neutrons. Ceux-ci sont eux-mêmes constitués de quarks et de gluons, sortes de petites sous-structures fondamentales. Or, la masse des gluons est nulle. Et, contrairement à ce que l'on pourrait penser, la masse des quarks qui composent un proton ne représente que 5% de la masse de ce dernier. D'où proviennent donc les 95% restants ?

Une équipe de physiciens français, allemands et hongrois vient de prouver que ces 95% résultent de l'énergie due aux mouvements des quarks et des gluons, et à leurs interactions.

Menés à partir du modèle standard qui décrit les interactions entre particules élémentaires, leurs calculs prouvent que la masse du proton résulte principalement de l'énergie portée par ces tous petits "éléments" que sont les quarks et les gluons, au travers de la célèbre formule d'Einstein E=mc2. Cette prouesse confirme la validité d'une théorie pour dépeindre les interactions fortes entre particules. Publiés dans Science le 21 novembre 2008, ces travaux ont été accomplis grâce à des supercalculateurs parmi les plus puissants au monde. Ils permettent d'envisager l'arrivée d'une nouvelle théorie en physique fondamentale, au-delà du modèle actuel, avec d'éventuelles découvertes dans le domaine des interactions faibles de quarks.

Pour parvenir à leurs fins, les chercheurs ont utilisé une approche où l'espace-temps est envisagé comme un réseau cristallin à quatre dimensions, composé de sites espacés le long de rangées et de colonnes. Leur principal défi était d'arriver à une solution qui corresponde à notre espace-temps continu, tout en contrôlant toutes les sources d'incertitudes liées aux calculs sur réseau. Sur le plan pratique, ce travail marque l'arrivée à maturité de méthodes numériques pertinentes pour l'étude des interactions fortes.

Les citations viennent de techno-science.

- Détection de matière noire et de dimensions supplémentaires ?

Ce n'est pour l'instant qu'une hypothèse, si c'était confirmé, il faudrait le mettre à la une mais tout pourrait se dégonfler si on trouvait une autre origine à ces électrons...

Au cours des années 2000, Atic, un instrument destiné à mesurer le flux de rayons cosmiques, a volé en ballon au-dessus de l'Antarctique. A la surprise des chercheurs, il a détecté un excès imprévu d'électrons hautement énergétiques. Il pourrait s'agir d'une preuve de l'existence de dimensions spatiales supplémentaires...

Comme ils l'expliquent dans Nature, les chercheurs ont mesuré près de 70 électrons très énergétiques entre 300 et 800 GeV. Cela représente trois fois le flux prédit par les modèles décrivant les sources de rayons cosmiques et leur propagation complexe dans le milieu interstellaire turbulent, couplé au champ magnétique de la Galaxie. Cette anomalie ne peut s'interpréter comme une fluctuation statistique. On pourrait la comparer à l'observation d'une dizaine de Ferrari en quelques minutes sur le bord d'une autoroute.

Or, étant donné leur nature et leurs énergies, de tels électrons ne peuvent provenir que d'une région située à une distance d'au maximum 3.300 années-lumière environ. En effet, la présence du champ magnétique de la Voie lactée et la collision avec des photons à basses énergies fait perdre rapidement de l'énergie à ces électrons au fil de leur voyage.

L'explication la plus probable et la moins exotique serait celle de la présence dans la banlieue proche de notre système solaire d'un pulsar ou même d'un micro-quasar accélérant des électrons et augmentant localement dans la Galaxie le flux d'électrons à ces énergies. Mais il existe une autre possibilité, encore plus fascinante, celle de la désintégration de particules de matière noire, des Wimp.

La prudence s'impose quand même, bien qu'aucun pulsar ou trou noir ne soit connu dans le voisinage du Soleil qui pourrait expliquer ces observations, cela ne veut pas dire qu'il n'en existe pas. Reste que les observations s'expliqueraient bien si l'on fait intervenir des particules de Kaluza-Klein d'une masse d'environ 620 GeV capables de se désintégrer lorsqu'elles rentrent en collision.

De telles particules sont prédites dans le cadre de modèles cosmologiques ou d'unification des forces avec des dimensions spatiales supplémentaires et sont de bons candidats pour expliquer au moins une fraction de la matière noire.

- Première détection de la matière noire ?

Publication par la collaboration CDF du Fermilab d'un surplus anormal de muons dans les collisions protons-antiprotons du Tevatron. Aucune explication ne semble crédible dans le cadre du modèle standard. Certains y voient la confirmation de certaines théories concernant la matière noire.

En étudiant les produits des réactions dans CDF, les chercheurs ont constaté un flux anormalement élevé de muons qui semble provenir de la désintégration de particules n'entrant dans aucune des prédictions du modèle standard !

Le plus surprenant est que si l'on introduit une nouvelle particule capable de se désintégrer en donnant des muons présentant les caractéristiques observées, on tombe sur l'existence d'un boson scalaire dont la masse est de l'ordre du GeV.

Trois semaines avant la publication sur Arxiv de l'article faisant état de cette anomalie, un groupe de théoriciens avait proposé un modèle de particules de matière noire faisant intervenir une particule très semblable à celle que CDF a peut-être détectée.

- Le LHC pas avant 2010 ?

C'est l'incertitude qui règne sur la date du redémarrage du LHC. D'après un séminaire donné récemment au Cern au sujet des problèmes avec les aimants dipolaires du secteur 34, dont les dysfonctionnements avaient entraîné un report des premières collisions à l'été 2009, les chercheurs auraient le choix entre deux options dont la plus sûre impliquerait un retard d'une année supplémentaire.


- L'antimatière révolutionnera-t-elle les voyages spatiaux ?

Des chercheurs américains viennent de découvrir une méthode étonnamment efficace pour produire de l'antimatière en grande quantité. Un faisceau laser bombardant une cible en or provoque en effet la création de milliards de positrons. Si elle est un jour appliquée à un système de propulsion, cette technique réduirait à quelques mois le voyage vers Mars...

On ne peut s'empêcher de rêver et d'y voir l'une des clés de la propulsion interplanétaire. Un tel mode de propulsion permettrait par exemple de se rendre sur Mars en quelques mois seulement, contre environ deux ans pour l'aller et le retour avec les techniques actuelles, ce qui diminuerait les risques d'irradiation par des éruptions solaires pour les explorateurs. En effet, plus on éjecte vite de la matière, ou des particules, plus il est possible d'atteindre des grandes vitesses avec une masse de carburant faible. Ejecter des particules à la vitesse de la lumière ou presque serait donc la solution idéale minimisant tout à la fois les temps de voyage et la taille des vaisseaux.

Pour se rendre compte à quel point cela est vrai on peut estimer qu'un vaisseau spatial de 100 tonnes à propulsion photonique, avec des photons gamma résultant de l'annihilation de particules de matière et d'antimatière, ne nécessiterait que 4 milligrammes d'antimatière (plus 4 mg de matière...) pour un aller simple sur Mars ! Qu'on ne s'y trompe pas toutefois. Produire cette petite quantité d'antimatière nécessite une énergie colossale et il est douteux qu'un engin quitte la Terre avec une telle bombe à bord. Si dans une trentaine d'années la propulsion à antimatière devient possible, ce sera peut-être en utilisant un laser pour générer des positrons à bord d'un vaisseau spatial selon le processus aujourd'hui découvert par les chercheurs.

- Les glaciers cachés de Mars dévoilés par un radar

D'immenses glaciers se cachent sous des couches rocheuses de la planète Mars, non pas aux pôles mais dans des régions centrales de l'hémisphère nord et sud. Il s'agirait des plus grosses réserves d'eau de la planète rouge.

Voir aussi Futura-Sciences.

- L'hadéen favorable à la vie il y a 4 milliards d'années ?

Les géologues s'en doutaient et les preuves s'accumulent, même si la messe n'est pas encore dite : il y a quatre milliards d'années, la Terre de l'Hadéen ressemblait déjà à celle d'aujourd'hui avec ses océans et, surtout, une tectonique des plaques.

L'image qui prévaut encore de l'Hadéen est celle d'une ère infernale dominée par un volcanisme et un bombardement météoritique intense et où les océans et une croûte solide ne sont apparus que tardivement. Graduellement, cette image est en train de changer et la possibilité que, moins de 200 millions d'années après sa naissance, la Terre était déjà dotée d'océans, n'est plus considérée comme une absurdité sans fondement parmi les chercheurs en géosciences.

Les chercheurs restent tout de même prudents, il se pourrait que des processus géologiques propres aux conditions de cette époque, et que nous imaginons difficilement, faussent cette conclusion. Reste que plusieurs indications sont convergentes et il est probable que l'Hadéen porte mal son nom, donc que la Terre ait été rapidement propice à l'apparition de la vie.




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