Une étude théorique réalisée par des physiciens japonais a permis de déterminer avec précision l’interaction entre un charmonium et un proton ou un neutron pour la première fois. De la collision de deux galaxies à l’expulsion d’un électron d’un noyau, toutes les interactions dans l’univers peuvent être décrites en termes de quatre forces fondamentales seulement.
La gravité et la force électromagnétique sont les deux forces qui nous sont familières dans la vie de tous les jours, tandis que les forces faible et forte opèrent sur des distances minuscules, de la taille d’un noyau atomique ou moins.
Comme son nom l’indique, la force forte est la plus puissante des quatre forces sur des distances minuscules, et elle lie les protons et les neutrons (collectivement appelés nucléons) à l’intérieur du noyau atomique. Elle agit entre les quarks et les gluons, qui sont les éléments constitutifs des nucléons.
« Les centrales nucléaires produisent de l’électricité en exploitant la force forte, et l’énergie du soleil en est essentiellement dérivée », indique Yan Lyu, du programme interdisciplinaire de sciences théoriques et mathématiques du RIKEN. « Il est donc important de comprendre comment fonctionne l’interaction forte. »
La force forte est décrite mathématiquement par la chromodynamique quantique. Bien que la théorie soit complète, son fonctionnement dans des situations spécifiques fait l’objet de recherches actives, tant sur le plan théorique qu’expérimental dans des installations telles que les accélérateurs de particules.
Aujourd’hui, Lyu et ses collègues ont utilisé la chromodynamique quantique pour étudier théoriquement les interactions fortes entre un nucléon et un type de particule à courte durée de vie appelé charmonium. Les nucléons sont constitués de quarks up et down, deux des six types de quarks. Un charmonium, quant à lui, est constitué d’un quark charmant et d’un antiquark charmant.
« La découverte du premier charmonium en novembre 1974 est parfois appelée la « révolution de novembre », car elle a constitué un événement révolutionnaire dans le domaine de la physique des particules », précise M. Lyu. « Les deux scientifiques impliqués ont reçu le prix Nobel deux ans plus tard. »
Bien que le charmonium ait été découvert il y a plus d’un demi-siècle, de nombreuses questions subsistent quant à son interaction avec d’autres particules.
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« L’une des questions fondamentales est de savoir comment le charmonium interagit avec les nucléons », ajoute M. Lyu. « C’est la question fondamentale que nous avons abordée dans cette étude. »
En effectuant des calculs sur Fugaku, l’un des superordinateurs les plus puissants au monde, Lyu et ses collaborateurs ont constaté que l’interaction entre les deux particules était attractive à toutes les distances. Ils ont également pu déterminer son ampleur avec beaucoup plus de précision que les estimations précédentes.
La confirmation expérimentale de ces résultats n’est peut-être plus très loin. « Les expérimentateurs du Grand collisionneur de hadrons en Europe ont déclaré qu’ils prévoyaient de mesurer l’interaction entre un nucléon et un charmonium dans quelques années », détaille M. Lyu.
L’équipe prévoit d’élargir ses recherches. « Nous nous attendons à ce que nos résultats soient également applicables à d’autres systèmes », conclu le scientifique. « C’est une question que nous étudions actuellement. »
Légende illustration : En utilisant le superordinateur Fugaku (illustré ici), les chercheurs de RIKEN ont pu déterminer la force forte agissant entre un nucléon et un charmonium. 2025 RIKEN
Lyu, Y., Doi, T., Hatsuda, T. & Sugiura, T. Nucleon-charmonium interactions from lattice QCD. Physics Letters B 860, 139178 (2025). doi: 10.1016/j.physletb.2024.139178
