Peu de choses sont plus difficiles — ou plus gratifiantes — que de sonder le fonctionnement interne du noyau atomique. Davide Gaiotto, professeur à l’Institut Périmètre, a été désigné comme l’un des 13 chercheurs principaux qui travailleront sur ce sujet fondamental dans le cadre du nouveau projet de la Fondation Simons sur le confinement et les chaînes de CDQ.

Dirigé par Igor Klebanov, de l’Université de Princeton, et financé par la Fondation Simons, cet ambitieux nouveau projet vise une meilleure compréhension d’un domaine-clé de la physique des hautes énergies appelé chromodynamique quantique (CDQ).

Depuis sa première définition théorique il y a plus de 50 ans, la CDQ s’est avérée une description très fructueuse de l’interaction nucléaire forte. Selon le modèle standard de la physique des particules, l’interaction forte explique la structure des hadrons, particules qui constituent la plus grande partie de la « matière ordinaire » de l’univers. Elle explique comment les protons et les neutrons sont liés à l’intérieur des noyaux atomiques, et comment les quarks et les gluons sont confinés à l’intérieur des protons et des neutrons. La CDQ est considérée comme l’une des parties les plus difficiles à étudier du modèle standard, parce que tout processus de la CDQ implique la contribution d’un nombre arbitrairement grand de particules qui apparaissent et disparaissent.

« Ce projet constitue un forum pour comparer différents points de vue sur le problème et formuler de nouvelles questions », déclare M. Gaiotto, titulaire de la chaire Krembil-Galilée à l’Institut Périmètre. « Le progrès scientifique résulte souvent d’une tension entre l’étude très approfondie d’un sujet particulier et la découverte de liens avec des sujets en apparence non liés qui révèlent des manières possibles entièrement nouvelles d’aborder un problème. Ce projet vise à susciter une telle synthèse. »

De nombreuses questions demeurent encore sans réponse quant au fonctionnement exact du confinement. Le nouveau projet de la Fondation Simons cherchera à y répondre, puisqu’il décrit la théorie du confinement en CDQ comme « un problème non résolu d’importance fondamentale en physique » [traduction]. L’équipe formée de chercheurs de 13 institutions dans 6 pays est financée pour une période de 4 ans et compte tenir une réunion de lancement du projet en septembre 2022.

Tout comme les particules électromagnétiques, par exemple les électrons, possèdent une propriété intrinsèque appelée charge (positive ou négative), les quarks et les gluons ont une propriété appelée couleur (rouge, bleue ou verte). Un des résultats intéressants de la CDQ est que l’interaction forte «  confine » les particules colorées telles que les quarks à l’intérieur des hadrons — les quarks ne peuvent pas « s’échapper » pour être observés isolément.

Plus on éloigne les quarks les uns des autres, plus la force qui les confine devient grande. Par contre, lorsqu’ils sont confinés, cette force diminue, et les quarks peuvent bouger librement. On compare souvent ce scénario à celui d’un sac élastique plein de balles de tennis : les balles peuvent bouger librement à l’intérieur du sac, mais elles ne peuvent pas s’échapper par les côtés du sac.

Le processus de confinement entraîne certaines bizarreries mathématiques, notamment ce que l’on appelle l’écart de masse : des particules quantiques dépourvues de masse et pouvant voyager à la vitesse de la lumière s’agglutinent de manière irréversible pour former des particules massives. Ce processus ne peut pas être analysé à l’aide des outils théoriques actuels, mais il semble avoir été démontré par l’expérience et dans des simulations informatiques de CDQ, ce qui constitue un mystère en physique quantique. La découverte d’une preuve mathématique cohérente de l’écart de masse serait un progrès énorme; elle figure en tête de liste des problèmes du millénaire de l’Institut mathématique Clay, pour lesquels on cherche toujours activement une solution. Le nouveau projet de la Fondation Simons cherchera à résoudre le problème de l’écart de masse.

Dans le cadre de ce projet, les membres de l’équipe étudieront également la dynamique des chaînes de CDQ. Parfois appelées tubes de flux chromoélectrique, ces chaînes relient des quarks et des antiquarks. L’équipe compte tirer parti de progrès récents en modélisation informatique pour mieux comprendre ces chaînes.

Davide Gaiotto espère que ce projet permettra aussi de faire des progrès en théorie quantique des champs : « Beaucoup de travaux sur le confinement cherchent à établir des liens avec la théorie des quarks et des gluons présents dans notre monde, dit-il. J’aimerais poser des questions concernant des problèmes en théorie quantique des champs qui ne se présenteraient pas nécessairement dans le monde réel, mais qui pourraient nous enseigner des choses plus générales pouvant ensuite s’appliquer au monde réel. »

Ce projet fait partie du programme de mathématiques et de sciences physiques de la Fondation Simons, qui vise « à susciter des progrès sur des questions scientifiques fondamentales d’importance majeure en mathématiques, en physique théorique et en informatique théorique ».