Le mois  de septembre du magazine « Pour la science » vient de raviver le malaise que me provoque la chromo dynamique quantique quand elle est sommée d’expliquer les découvertes récentes des pentaquarks. Cf l’article publié par ROLF ENT/THOMAS ULRICH/RAJU VENUGOPALAN …..Pour les lecteurs fidèles qui lisent mes articles spécialisés du « Monde selon la PHYSIQUE »  voir mes archives  du mois dernier

J’étais resté pourtant longtemps sous le charme de la conférence de DAVID GROSS à  Princeton jusqu’au jour (2014)  où fut déjà remis en question  le problème de la répartition fine des spins   des quarks à l’intérieur du proton ou du neutron ….Jusque-là , moi physicien ébloui ,je m’étais contenté de règles d’arithmétique élémentaire :en charges électriques un proton c’est 2u+1d , donc 2(+2/3)+(-1/3) =+1 . et un neutron c’est 2d+1u,donc 2(-1/3 )+1 /3=0 ……Et bien hélas , j’avais tort autre part !Le Monde se refuse à être simple !

Il se révèle, en effet, que  dans certaines expériences de protons bombardés par des faisceaux d’électrons de très haute intensité on peut obtenir des chocs « profondément inélastiques » et les analyser…Il en ressort que les médiateurs des forces qui relient les quarks entre eux et qu’on nomme gluons sont porteurs eux-mêmes  d’un spin !Les manips donneraient comme ordre de grandeur un peu plus que 10% du spin du proton !.....Si je ne suis pas tombé ce jour-là de mon fauteuil  , c’est parce que les bras du susdit remontaient haut ! Car tous les vecteurs d ‘ énergie sont censés présenter ( tels les photons ) un spin entier !Et si maintenant on vient de me dire que les gluons ne sont pas tout à fait des bosons , il faut qu’ on m’en donne les preuves expérimentales…..

MAIS LA SUITE FUT PIRE !je rappelle que c’est  en 1969 que l’analyse d’ électrons très énergiques et déviés en traversant des protons a permis de révéler l’existence de constituants internes, les quarks , et peu à peu les manips en ont détecté 6 variétés  et 6 anti variétés …La suite du travail a consisté ensuite à définir les conditions expérimentales des bonnes manips  pour en mesurer  la masse ….et ça n’ a pas été simple pour en avoir ne serait -ce  qu’une idée approximative …..Et pourquoi me direz-vous ? Et bien parce que ce qui les lie entre eux  , ces gluons , en constituent une partie…..en clair il faut additionner les masses des 3 quarks à celles des « masses-énergie » des gluons pour retrouver la masse du proton ou du neutron ….Mais OLIVIER , vous exclamez-vous , voilà une deuxième  occasion de tomber de votre fauteuil !

Pourquoi ?Parce qu’ un  boson n’a pas de masse ; il  n’est qu’énergie ;il a le droit de bouger , telle une onde  et de présenter une énergie cinétique ( donc l’équivalent d’une masse) et par conséquent on peut supposer qu’ un proton immobile présentera des  masses de  gluons dont la valeur pourra être moyennée  et permettra de connaitre leur contribution  à la masse du proton ….Alors, cette fois ci , tombez pour de bon de votre fauteuil :les gluons peuvent représenter jusqu‘à 98% de la masse du proton !Et je vous expliquerai dans ma suite ce que les manips racontent…..

Resté sur ces incertitudes, je me suis mis  , il y a environ un an , à travailler à une «  imagerie pédagogique » pour  expliquer tout ceci à mes lecteurs . Ceux qui ,parmi eux ont le plus de mémoire se rappellent peut être  des résultats de mes calculs et des graphiques que je vous avais proposés alors .J’y reviens aujourd’hui  avec des représentations encore plus «  trivialement scolaires……Imaginons donc les quarks  comme des billes sphériques en rotation  et de diamètre différents suivant leur variété ….Chacune de ces billes dispose de deux crochets  mobiles situés dans leur plan équatorial ….Ces crochets correspondent a des points  d’action de deux types d’interaction .Le premier est  celui de l’interaction des charges électriques  portées ( répulsives si charges de même signe , attractives si charges de signe contraire ).  Le second  correspond à l’interaction forte   , dite « de couleur » des quarks entre eux .Les lois évaluant les forces respectives des deux types d’interaction sont   fonction de la distance mutuelle D entre les quarks et mathématiquement très différentes. La répulsion ou l’attraction des charges  électriques  s’exprime au moyen de la loi classique  de  COULOMB    en 1/D² .tandis que  la répulsion ou l’attraction des charges de couleur est   décrite  par une  fonction sigmoïde «  déformée «  puis interrompue !

A ceci ,il fallait ajouter , l’attraction gravitationnelle des masses des trois quarks entre eux  et si l’on se permet de supposer  qu’elle joue encore un rôle  malgré leurs masses faibles , cela reviens a  devoir traiter mathématiquement le terrible problème  astral des trois corps  , qui a tant embêté  HENRI POINCARE .Dans mon calcul approximatif  je l’avais laisser tomber !

Je vous avais donc signalé que décrire  les mouvements  de trois quarks de deux espèces différentes    , de diamètre d(d) et d (u)et mobiles dans un volume sphérique global de la taille d’un proton ou d’un neutron   ne peut être résolu que par des  approximations  successives …. Accrochons à chacun des trois quarks un premier  ressort très puissant(ou un élastique ) de longueur  d’extension  maxi  égale à  2d(u) +  d(d).Il leur laisse une liberté de mouvement quasi-totale  en positions de  « touche -touche » mais se rompt quand l’extension maxi est atteinte . Surajoutons  un deuxième ressort  qui  lui se déforme  et qui décrit  l’interaction soit positive soit négative entre les charges électriques des quarks . Ce ressort  faiblit   quand  les distances inter quarks augmentent  mais «  fait la loi »( domine)  quand les trois quarks  sont  très proches ….Je vous en avais décrit le résultat approximatif :pour un proton au « repos », le ballet des trois quarks  se représente dans l’espace  par une danse ou le protagoniste de charge + ou -   passe périodiquement  entre les deux autres….Il y a donc dans un gluon une  double contribution  mixte de charge électrique et une seconde de charge de couleur …..Ce qui explique sa complexité !

 Ce n’est pas tout !

a suivre