Des physiciens mettent en commun leurs compétences pour mieux décrire la particule instable du méson sigma

Les physiciens nucléaires savent que l’interaction forte est ce qui maintient ensemble les particules au cœur de la matière, mais nous avons encore beaucoup à apprendre sur cette force fondamentale. Les résultats publiés plus tôt cette année dans Examen physique D Les résultats de trois chercheurs du Centre de physique théorique et computationnelle de l’accélérateur national Thomas Jefferson du département américain de l’énergie nous rapprochent de la compréhension d’un élément important du puzzle de l’interaction forte.

Ce fragment est connu sous le nom de méson sigma. Comme les protons et les neutrons plus connus, le sigma est constitué de quarks. Il est créé lorsque deux autres particules à base de quarks, appelées pions, entrent en collision. Lors de cette collision, les quarks des pions peuvent se reconfigurer brièvement via l’interaction forte pour former le méson sigma.

Cette particule est instable et a une durée de vie très courte : elle se désintègre en une paire de pions en une fraction de seconde, ce qui rend difficile l’étude du méson sigma à partir des données obtenues à partir d’expériences avec des accélérateurs, même si l’on pense qu’il joue un rôle important dans de nombreux processus de physique nucléaire, notamment dans les interactions entre protons et neutrons.

« Le sigma est un phénomène étrange depuis longtemps », a déclaré l’auteur Jozef Dudek, scientifique au Jefferson Lab et professeur associé de physique à William & Mary. « Nous ne pouvions pas déterminer de manière fiable ses propriétés avec des méthodes traditionnelles simples. »

Avec une masse deux fois inférieure à celle du proton, le méson sigma est la particule instable la plus légère impliquée dans l’interaction forte. L’étude de l’interaction forte aux échelles les plus légères aidera les physiciens à comprendre comment cette force nous façonne, nous et notre monde, à des échelles plus lourdes.

« C’est important pour comprendre fondamentalement pourquoi nous sommes là », a déclaré l’auteur Arkaitz Rodas Bilbao, scientifique au Jefferson Lab et professeur adjoint de physique à l’université Old Dominion. « Comment les particules qui nous composent se collent-elles les unes aux autres ? Pouvons-nous savoir tout ce qui se passe à l’intérieur de chacun de nous au niveau le plus élémentaire ? »

Supercalcul pour sigma

Dudek, Rodas Bilbao et Robert Edwards, scientifique principal du laboratoire Jefferson, ont uni leurs forces pour mener des travaux visant à mieux comprendre le méson sigma. Ils ont estimé que leur meilleure chance de mieux le décrire viendrait d’un autre outil : le supercalculateur.

« L’idée est de s’appuyer sur des supercalculateurs pour créer des expériences virtuelles », a déclaré Rodas Bilbao.

Les superordinateurs permettent aux scientifiques d’effectuer des calculs complexes plus rapidement. En répartissant les étapes de calcul entre les milliers d’ordinateurs qui composent un superordinateur, de nombreuses étapes peuvent être effectuées en même temps, ce qui permet de gagner du temps. Il faudrait des centaines, voire des milliers d’années à un ordinateur portable pour effectuer les calculs nécessaires à ce projet.

« Si je veux être en vie lorsque le projet sera terminé, il vaut mieux utiliser un superordinateur », a déclaré Rodas Bilbao.

À l’aide de superordinateurs du Jefferson Lab et du Oak Ridge National Laboratory du DOE, l’équipe a simulé les réactions pion-pion nécessaires pour comprendre le méson sigma. Ces calculs sont basés sur la chromodynamique quantique, ou QCD, la théorie qui décrit l’interaction forte.

La QCD ne peut pas être résolue algébriquement, et lorsque l’on utilise des superordinateurs pour surmonter ce problème, certains principes de base doivent être sacrifiés. Dans ce travail, pour la première fois, les auteurs ont pu réintroduire ces principes sous la forme de contraintes mathématiques appelées « relations de dispersion ».

Calculs collaboratifs

Ce défi technique a nécessité l’expertise de Rodas Bilbao, qui a déjà étudié les relations de dispersion et a travaillé sur le projet en tant que chercheur postdoctoral à William & Mary.

Le défi nécessitait également l’expérience de Dudek et Edwards dans les calculs numériques QCD.

Les trois chercheurs sont membres de la Hadron Spectrum Collaboration (HadSpec), un petit groupe international né au Jefferson Lab, et de l’Exotic Hadron (ExoHad) Topical Collaboration, un groupe qui étudie les particules exotiques. Ce travail est une étape importante de la collaboration ExoHad et illustre le type de relations que le groupe souhaite nouer.

« L’idée est de combiner des compétences et de travailler ensemble pour résoudre des problèmes que personne ne pourrait résoudre seul », explique Dudek, co-chercheur principal d’ExoHad. « Nous n’aurions pas pu effectuer les calculs sans l’aide de SciDAC. »

Edwards dirige le projet logiciel sponsorisé par le DOE « Physique nucléaire fondamentale à l’exascale et au-delà » dans le cadre du programme Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC).

« Cet effort nous permet d’essayer de développer les outils dont nous avons besoin pour le calcul scientifique avancé ou, dans ce cas, le calcul haute performance. Ces outils que nous avons développés, les logiciels et l’infrastructure algorithmique, sont désormais au cœur de nos programmes scientifiques », a déclaré Edwards. « C’est grâce à ce type de ressources informatiques que nous pouvons mener à bien nos travaux scientifiques, c’est donc une partie intégrante de l’ensemble de notre processus. »

La combinaison des techniques utilisées dans ce travail pourrait être étendue à l’étude de particules mystérieuses similaires à sigma, comme le kappa. Si un pion interagit avec un kaon au lieu d’un autre pion, il peut former une particule intermédiaire appelée kappa, dont l’existence et les propriétés sont encore plus obscures que celles du sigma.

Ces travaux ouvrent également la voie à de nouvelles études sur le sigma, dont la structure interne reste encore mystérieuse. Mais pour en savoir plus sur la composition du sigma, il faudra procéder à des calculs encore plus complexes.

« Donc, la première étape, qui est celle-ci, doit être aussi solide et précise que possible », a déclaré Rodas Bilbao.

Une des limites de ces calculs est le fait qu’ils donnent aux quarks, et donc aux pions, une masse supérieure à celle que ces particules ont en réalité. Cela rend les calculs plus pratiques à réaliser, mais dans les travaux futurs, ces masses devront se rapprocher de leurs valeurs réelles.

« Finalement, il faut mettre ces paramètres à la bonne valeur », a déclaré Dudek.

Cela est d’autant plus vrai que les recherches du Centre de théorie du laboratoire Jefferson éclairent les expérimentateurs du laboratoire, avec lesquels les théoriciens travaillent en étroite collaboration. Dans toute expérience où il y a deux pions, l’effet du sigma se fera sentir.

« Tout ce que nous faisons alimente le programme expérimental », a-t-il déclaré.

Mais ce « premier pas » est un bon début.