Personne ne sait vraiment ce qui se passe à l'intérieur d'un atome. Mais deux groupes concurrents de scientifiques pensent qu'ils l'ont compris. Et les deux font la course pour prouver que leur propre vision est correcte.
Voici ce que nous savons avec certitude: les électrons sifflent autour des "orbitales" dans la coquille externe d'un atome. Ensuite, il y a beaucoup d'espace vide. Et puis, au centre de cet espace, il y a un petit noyau - un nœud dense de protons et de neutrons qui donne à l'atome la plus grande partie de sa masse. Ces protons et neutrons se regroupent, liés par ce qu'on appelle la force forte. Et le nombre de ces protons et neutrons détermine si l'atome est du fer ou de l'oxygène ou du xénon, et s'il est radioactif ou stable.
Pourtant, personne ne sait comment ces protons et neutrons (ensemble appelés nucléons) se comportent à l'intérieur d'un atome. En dehors d'un atome, les protons et les neutrons ont des tailles et des formes définies. Chacun d'eux est composé de trois particules plus petites appelées quarks, et les interactions entre ces quarks sont si intenses qu'aucune force externe ne devrait pouvoir les déformer, pas même les forces puissantes entre les particules d'un noyau. Mais depuis des décennies, les chercheurs savent que la théorie est en quelque sorte fausse. Des expériences ont montré qu'à l'intérieur d'un noyau, les protons et les neutrons semblent beaucoup plus gros qu'ils ne devraient l'être. Les physiciens ont développé deux théories concurrentes qui tentent d'expliquer ce décalage étrange, et les partisans de chacun sont tout à fait certains que l'autre est incorrect. Cependant, les deux camps conviennent que, quelle que soit la bonne réponse, elle doit provenir d'un domaine au-delà du leur.
Depuis au moins les années 1940, les physiciens savent que les nucléons se déplacent dans de petites orbitales étroites au sein du noyau, a déclaré à Live Science Gerald Miller, physicien nucléaire à l'Université de Washington. Les nucléons, confinés dans leurs mouvements, ont très peu d'énergie. Ils ne rebondissent pas beaucoup, retenus par la force puissante.
En 1983, les physiciens de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) ont remarqué quelque chose d'étrange: les faisceaux d'électrons rebondissaient sur le fer d'une manière très différente de la façon dont ils rebondissaient sur les protons libres, a déclaré Miller. C'était inattendu; si les protons à l'intérieur de l'hydrogène étaient de la même taille que les protons à l'intérieur du fer, les électrons auraient dû rebondir de la même manière.
Au début, les chercheurs ne savaient pas ce qu'ils regardaient.
Mais au fil du temps, les scientifiques ont fini par croire qu'il s'agissait d'un problème de taille. Pour une raison quelconque, les protons et les neutrons à l'intérieur des noyaux lourds agissent comme s'ils étaient beaucoup plus gros que lorsqu'ils étaient à l'extérieur des noyaux. Les chercheurs appellent ce phénomène l'effet EMC, après la European Muon Collaboration - le groupe qui l'a accidentellement découvert. Il viole les théories existantes de la physique nucléaire.
Ou Hen, un physicien nucléaire au MIT, a une idée qui pourrait potentiellement expliquer ce qui se passe.
Alors que les quarks, les particules subatomiques qui composent les nucléons, interagissent fortement au sein d'un proton ou d'un neutron donné, les quarks de différents protons et neutrons ne peuvent pas interagir beaucoup les uns avec les autres, a-t-il déclaré. La force forte à l'intérieur d'un nucléon est si forte qu'elle éclipse la force forte qui retient les nucléons aux autres nucléons.
"Imaginez-vous assis dans votre chambre en train de parler à deux de vos amis avec les fenêtres fermées", a déclaré Hen.
Le trio dans la pièce est composé de trois quarks à l'intérieur d'un neutron ou d'un proton.
"Une légère brise souffle à l'extérieur", a-t-il déclaré.
Cette brise légère est la force qui maintient le proton ou le neutron sur les nucléons voisins qui sont "à l'extérieur" de la fenêtre. Même si un peu se faufilait à travers la fenêtre fermée, dit Hen, cela ne vous toucherait guère.
Et tant que les nucléons restent dans leurs orbitales, c'est le cas. Cependant, a-t-il dit, des expériences récentes ont montré qu'à tout moment, environ 20% des nucléons d'un noyau se trouvent en fait en dehors de leurs orbitales. Au lieu de cela, ils sont associés à d'autres nucléons, interagissant dans des «corrélations à courte portée». Dans ces circonstances, les interactions entre les nucléons sont beaucoup plus énergétiques que d'habitude, a-t-il déclaré. En effet, les quarks traversent les parois de leurs nucléons individuels et commencent à interagir directement, et ces interactions quark-quark sont beaucoup plus puissantes que les interactions nucléon-nucléon.
Ces interactions brisent les murs séparant les quarks à l'intérieur des protons ou neutrons individuels, a déclaré Hen. Les quarks constituant un proton et les quarks constituant un autre proton commencent à occuper le même espace. Cela entraîne l'étirement et le flou des protons (ou neutrons, selon le cas), a déclaré Hen. Ils grandissent beaucoup, mais pour de très courtes périodes. Cela biaise la taille moyenne de toute la cohorte dans le noyau - produisant l'effet EMC.
La plupart des physiciens acceptent maintenant cette interprétation de l'effet CEM, a déclaré Hen. Et Miller, qui a travaillé avec Hen sur certaines des recherches clés, a accepté.
Mais tout le monde ne pense pas que le groupe de Hen ait résolu le problème. Ian Cloët, physicien nucléaire au Argonne National Laboratory dans l'Illinois, a déclaré qu'il pense que les travaux de Hen tirent des conclusions que les données ne soutiennent pas pleinement.
"Je pense que l'effet EMC n'est toujours pas résolu", a déclaré Cloët à Live Science. En effet, le modèle de base de la physique nucléaire représente déjà une grande partie du couplage à courte portée décrit par Hen. Pourtant, "si vous utilisez ce modèle pour essayer de regarder l'effet EMC, vous ne décrirez pas l'effet EMC. Il n'y a pas d'explication réussie de l'effet EMC en utilisant ce cadre. Donc, à mon avis, il y a encore un mystère."
Hen et ses collaborateurs font un travail expérimental qui est "vaillant" et "de très bonne science", a-t-il déclaré. Mais cela ne résout pas complètement le problème du noyau atomique.
"Ce qui est clair, c'est que le modèle traditionnel de la physique nucléaire… ne peut pas expliquer cet effet CEM", a-t-il déclaré. "Nous pensons maintenant que l'explication doit provenir de QCD elle-même."
QCD est synonyme de chromodynamique quantique - le système de règles qui régissent le comportement des quarks. Passer de la physique nucléaire à la QCD, c'est un peu comme regarder la même image deux fois: une fois sur un téléphone à clapet de première génération - c'est la physique nucléaire - et puis à nouveau sur un téléviseur haute résolution - c'est la chromodynamique quantique. Le téléviseur haute résolution offre beaucoup plus de détails, mais il est beaucoup plus compliqué à construire.
Le problème est que les équations QCD complètes décrivant tous les quarks dans un noyau sont trop difficiles à résoudre, ont déclaré Cloët et Hen. Les superordinateurs modernes sont à environ 100 ans d'être assez rapides pour la tâche, a estimé Cloët. Et même si les superordinateurs étaient assez rapides aujourd'hui, les équations n'ont pas avancé au point où vous pouvez les brancher sur un ordinateur, a-t-il déclaré.
Pourtant, at-il dit, il est possible de travailler avec QCD pour répondre à certaines questions. Et en ce moment, a-t-il dit, ces réponses offrent une explication différente de l'effet CEM: la théorie du champ moyen nucléaire.
Il n'est pas d'accord pour dire que 20% des nucléons d'un noyau sont liés dans des corrélations à courte portée. Les expériences ne le prouvent tout simplement pas, a-t-il dit. Et il y a des problèmes théoriques avec l'idée.
Cela suggère que nous avons besoin d'un modèle différent, a-t-il déclaré.
"L'image que j'ai, c'est que nous savons qu'à l'intérieur d'un noyau se trouvent ces forces nucléaires très fortes", a déclaré Cloët. Ce sont «un peu comme des champs électromagnétiques, sauf que ce sont des champs de force puissants».
Les champs opèrent à de si petites distances qu'ils sont d'une ampleur négligeable à l'extérieur du noyau, mais ils sont puissants à l'intérieur.
Dans le modèle de Cloët, ces champs de force, qu'il appelle «champs moyens» (pour la force combinée qu'ils transportent) déforment en fait la structure interne des protons, des neutrons et des pions (un type de particule porteuse de force forte).
"Tout comme si vous prenez un atome et que vous le placez dans un champ magnétique puissant, vous allez changer la structure interne de cet atome", a déclaré Cloët.
En d'autres termes, les théoriciens du champ moyen pensent que la pièce hermétique décrite par Hen a des trous dans ses murs et que le vent souffle pour renverser les quarks et les étirer.
Cloët a reconnu qu'il est possible que des corrélations à court terme expliquent probablement une partie de l'effet CEM, et Hen a déclaré que les champs moyens jouent probablement également un rôle.
"La question est, qui domine", a déclaré Cloët.
Miller, qui a également beaucoup travaillé avec Cloët, a déclaré que le champ moyen a l'avantage d'être plus bien fondé en théorie. Mais Cloët n'a pas encore fait tous les calculs nécessaires, a-t-il déclaré.
Et en ce moment, le poids des preuves expérimentales suggère que Hen a le meilleur de l'argument.
Hen et Cloët ont tous deux déclaré que les résultats des expériences des prochaines années pourraient résoudre la question. Hen a cité une expérience en cours au Jefferson National Accelerator Facility en Virginie qui rapprochera les nucléons, les uns après les autres, et permettra aux chercheurs de les observer changer. Cloët a dit qu'il voulait voir une "expérience EMC polarisée" qui briserait l'effet basé sur le spin (un trait quantique) des protons impliqués. Cela pourrait révéler des détails invisibles de l'effet qui pourraient faciliter les calculs, a-t-il déclaré.
Les trois chercheurs ont souligné que le débat était amical.
"C'est génial, car cela signifie que nous faisons encore des progrès", a déclaré Miller. "Finalement, quelque chose va être dans le manuel et le jeu de balle est terminé ... Le fait qu'il y ait deux idées concurrentes signifie que c'est excitant et vibrant. Et maintenant, nous avons enfin les outils expérimentaux pour résoudre ces problèmes."
