Si vous montiez à bord du Magic School Bus et que vous commenciez à rétrécir - plus petit qu'une fourmi ou une amibe ou une seule cellule, puis que vous continuiez à rétrécir jusqu'à ce que des atomes uniques soient aussi gros que des mondes entiers, et même leurs particules constitutives vous dominaient - vous feriez entrer dans un monde bouillonnant de pressions énormes et conflictuelles.
Au centre d'un proton, une pression supérieure à celle trouvée à l'intérieur d'une étoile à neutrons vous projetterait vers le bord de la particule. Mais aux limites extérieures du proton, une force égale et opposée vous pousserait vers le centre du proton. En cours de route, vous seriez secoué par des forces de cisaillement se déplaçant latéralement qui dépassent de loin tout ce que toute personne connaîtra au cours de sa vie.
Un nouvel article, publié le 22 février dans la revue Physical Review Letters, offre la description la plus complète à ce jour des pressions concurrentes à l'intérieur d'un proton, non seulement en termes de ses quarks - les particules qui donnent à un proton sa masse - mais ses gluons, les particules sans masse qui lient ces quarks ensemble.
Cet état quantique bouillonnant et bouillonnant
Les descriptions simples des protons impliquent seulement trois quarks maintenus ensemble par un tas de gluons. Mais ces descriptions sont incomplètes, a déclaré Phiala Shanahan, co-auteur de l'étude, physicienne au Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Le proton est composé d'un tas de gluons puis d'un tas de quarks", a expliqué Shanahan à Live Science. "Pas seulement trois. Il y a trois quarks principaux, puis un certain nombre de paires quark-antiquark qui apparaissent et disparaissent ... et ce sont toutes les interactions compliquées de cet état quantique bouillonnant et bouillonnant qui génèrent la pression."
Shanahan et le co-auteur William Detmold, qui est également physicien au MIT, ont découvert que les gluons produisent environ deux fois plus de pression que les quarks à l'intérieur d'un proton, et que cette pression est répartie sur une zone plus large que ce qui était connu auparavant. Ils ont constaté que la pression totale d'un proton culmine à 100 décillions (ou 1 avec 35 zéros après) - pascals - ou environ 260 sextillions (ou 26 avec 22 zéros après) multiplié par la pression au centre de la Terre.
Surtout, cette pression pointe dans deux directions différentes.
"Il y a une région de pression positive, donc il doit aussi y avoir une région de pression négative", a-t-elle déclaré. "S'il n'y avait qu'une région de pression positive, le proton continuerait de se développer et il ne serait pas stable."
Un très gros calcul
Mais aussi énormes que soient ces pressions, il n'y a aucun moyen pour les scientifiques de les mesurer directement dans la plupart des circonstances. Pour sonder l'intérieur des protons, les scientifiques les bombardent d'électrons encore plus minuscules à de très hautes énergies. Dans le processus, ils changent les protons. Aucune expérience connue ne peut révéler ce que c'est qu'à l'intérieur d'un proton aux faibles énergies qu'ils éprouvent habituellement.
Les scientifiques s'appuient donc sur la théorie de la chromodynamique quantique (QCD) - qui décrit les quarks et les puissants gluons porteurs de force qui les lient ensemble. Les scientifiques savent que la QCD fonctionne parce que les expériences à haute énergie confirment ses prédictions, a déclaré Detmold. Mais à basse énergie, ils doivent faire confiance aux mathématiques et aux calculs.
"Malheureusement, il est très difficile d'étudier analytiquement, en écrivant des équations avec un stylo et du papier", a déclaré Shanahan.
Au lieu de cela, les chercheurs se tournent vers des superordinateurs qui mettent en réseau des milliers de cœurs de processeur pour résoudre des équations complexes.
Même avec deux superordinateurs travaillant ensemble, les calculs ont pris environ un an, a-t-elle déclaré.
Shanahan et Detmold ont divisé le proton en ses différentes dimensions (trois pour l'espace et une pour le temps) pour simplifier le problème que les supercalculateurs devaient résoudre.
Au lieu d'un seul chiffre, la carte de pression résultante ressemblerait à un champ de flèches, toutes de tailles différentes et pointant dans des directions différentes.
Donc, la réponse à la question: "Quelle est la pression à l'intérieur d'un proton?" dépend beaucoup de la partie du proton dont vous parlez.
Cela dépend également du rayon du proton. Si les protons sont des sacs de gluons et de quarks, ces sacs se développent et rétrécissent en fonction des autres particules qui agissent sur eux. Les résultats de Shanahan et Detmold ne se résument donc pas à un seul chiffre.
Mais maintenant, nos cartes des extrêmes de tous ces minuscules mondes bouillonnants en nous sont beaucoup plus vives.
