Une paire de physiciens a annoncé la découverte d'un événement subatomique si puissant que les chercheurs se sont demandé s'il était trop dangereux de le rendre public.
L'événement explosif? Le duo a montré que deux minuscules particules connues sous le nom de quarks inférieurs pouvaient théoriquement fusionner ensemble en un éclair puissant. Le résultat: une particule subatomique plus grande, une seconde particule de rechange connue sous le nom de nucléon, et un désordre d'énergie débordant dans l'univers. Cette «quarksplosion» serait un analogue subatomique encore plus puissant des réactions individuelles de fusion nucléaire qui ont lieu dans le cœur des bombes à hydrogène.
Les quarks sont de minuscules particules qui se trouvent généralement accrochées ensemble pour constituer les neutrons et les protons à l'intérieur des atomes. Ils se déclinent en six versions ou "saveurs": haut, bas, haut, bas, étrange et charme.
Les événements énergétiques au niveau subatomique sont mesurés en mégaélectronvolts (MeV), et lorsque deux quarks inférieurs fusionnent, les physiciens ont découvert qu'ils produisent un énorme 138 MeV. C'est environ huit fois plus puissant que l'un des événements de fusion nucléaire individuels qui se produisent dans les bombes à hydrogène (un attentat à la bombe à grande échelle se compose de milliards de ces événements). Les bombes H fusionnent de minuscules noyaux d'hydrogène appelés deutons et tritons pour créer des noyaux d'hélium, ainsi que les explosions les plus puissantes de l'arsenal humain. Mais chacune de ces réactions individuelles à l'intérieur des bombes ne libère qu'environ 18 MeV, selon les archives d'armes nucléaires, un site Web consacré à la collecte de recherches et de données sur les armes nucléaires. C'est bien moins que les 138 MeV des quarks de fond.
"Je dois admettre que lorsque j'ai réalisé pour la première fois qu'une telle réaction était possible, j'avais peur", a déclaré le co-chercheur Marek Karliner de l'Université de Tel Aviv en Israël à Live Science. "Mais, heureusement, c'est un poney à un tour."
Aussi puissantes que soient les réactions de fusion, une seule instance de fusion à elle seule n'est pas du tout dangereuse. Les bombes à hydrogène tirent leur énorme puissance des réactions en chaîne - la fusion en cascade de lots et de lots de noyaux à la fois.
Karliner et Jonathan Rosner, de l'Université de Chicago, ont déterminé qu'une telle réaction en chaîne ne serait pas possible avec les quarks inférieurs et, avant de publier, ont partagé en privé leurs connaissances avec des collègues, qui ont accepté.
"Si j'avais pensé pendant une microseconde que cela avait des applications militaires, je ne l'aurais pas publié", a déclaré Karliner.
Pour déclencher une réaction en chaîne, les fabricants de bombes nucléaires ont besoin de grands stocks de particules. Et une propriété importante des quarks du fond les rend impossibles à stocker: ils clignotent hors de leur existence juste 1 picoseconde après leur création, ou environ le temps qu'il faut de la lumière pour parcourir la moitié de la longueur d'un seul grain de sel. Après ce laps de temps, ils se désintègrent en une sorte de particule subatomique beaucoup plus courante et moins énergique, connue sous le nom de quark up.
Il pourrait être possible de générer des réactions de fusion uniques de quarks de fond à l'intérieur d'accélérateurs de particules de plusieurs kilomètres de long, selon les scientifiques. Mais même à l'intérieur d'un accélérateur, on ne pouvait pas assembler une masse suffisamment importante de quarks pour faire des dégâts dans le monde, ont déclaré les chercheurs. Il n'est donc pas nécessaire de s'inquiéter des bombes à quark de fond.
La découverte est excitante, cependant, car c'est la première preuve théorique qu'il est possible de fusionner des particules subatomiques de manière à libérer de l'énergie, a déclaré Karliner. C'est un tout nouveau territoire dans la physique des très petites particules, rendu possible par une expérience dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN, le gigantesque laboratoire de physique des particules près de Genève.
Voici comment les physiciens ont fait cette découverte.
Au CERN, les particules tournent autour d'un anneau souterrain de 27 kilomètres de long à une vitesse proche de la lumière avant de s'entrechoquer. Les scientifiques utilisent ensuite des ordinateurs puissants pour passer au crible les données de ces collisions, et des particules étranges émergent parfois de cette recherche. En juin, quelque chose de particulièrement étrange est apparu dans les données de l'une de ces collisions: un baryon "doublement charmé", ou un cousin encombrant du neutron et du proton, lui-même composé de deux cousins des quarks "inférieur" et "supérieur" appelés quarks de "charme".
Maintenant, les quarks de charme sont très lourds par rapport aux quarks de haut en bas les plus courants qui composent les protons et les neutrons. Et lorsque les particules lourdes se lient ensemble, elles convertissent une grande partie de leur masse en énergie de liaison et, dans certains cas, produisent un tas d'énergie résiduelle qui s'échappe dans l'univers.
Lorsque deux quarks de charme fusionnent, selon Karliner et Rosner, les particules se lient avec une énergie d'environ 130 MeV et crachent 12 MeV en énergie résiduelle (environ les deux tiers de l'énergie de la fusion deutéron-triton). Cette fusion charmée a été la première réaction de particules de cette envergure à émettre de l'énergie de cette manière, et est le résultat phare de la nouvelle étude, publiée hier (1er novembre) dans la revue Nature.
La fusion encore plus énergique de deux quarks inférieurs, qui se lient avec une énergie de 280 MeV et crachent 138 MeV lorsqu'ils fusionnent, est la deuxième et la plus puissante des deux réactions découvertes.
Jusqu'à présent, ces réactions sont entièrement théoriques et n'ont pas été démontrées en laboratoire. Cette prochaine étape devrait cependant arriver bientôt. Karliner a déclaré qu'il s'attend à voir les premières expériences montrant cette réaction au CERN au cours des deux prochaines années.
Note de l'éditeur: Cet article a été mis à jour pour corriger une déclaration disant que les quarks supérieurs constituaient des neutrons et des protons. Les quarks de haut en bas constituent des protons et des neutrons.
