Les quarks sont des particules élémentaires qui ne cessent de retenir l’attention des physiciens. Constituant la matière baryonique, c’est-à-dire la matière ordinaire qui nous entoure composée de protons et neutrons, leurs propriétés physiques permettent l’existence de certaines formes de matière particulières, telles que le plasma quarks-gluons ou encore la matière étrange. Une équipe de physiciens a récemment mis en évidence une nouvelle configuration stable des quarks, qui pourrait constituer des éléments au-delà du tableau périodique.

Dernier transactinide (élément chimique de numéro atomique supérieur à celui du lawrencium), l’organesson (Og) comprend 118 protons pour une masse atomique de 294. Synthétisé pour la première fois en 2002, il est le dernier élément chimique connu (par numéro atomique croissant) du tableau périodique des éléments. Cela ne signifie pas que des éléments plus lourds ne peuvent exister — bien qu’il existe une limite théorique maximale au nombre de protons d’un noyau, due à l’intensité limitée de l’interaction nucléon-nucléon — mais les limites technologiques actuelles ne permettent pas encore de produire ceux-ci.

Les atomes se trouvant à la fin du tableau périodique ne sont plus soumis aux mêmes règles que leurs homologues moins massifs. Des effets quantiques, comme un couplage spin-orbite, émergent au sein du noyau et en réorganisent les niveaux d’énergie classiques. Des mécanismes de contrainte énergétique, notamment le phénomène de frustration coulombienne, modifient la dynamique électrons-protons conférant des propriétés particulières à l’atome. Enfin, des effets relativistes tendent à délocaliser uniformément les électrons plutôt qu’à les faire s’arranger classiquement en couches.

Dans une récente étude, une équipe de physiciens de l’université de Toronto a montré que sous des conditions extrêmes de température et pression, les quarks composant les baryons peuvent se délier, tout en restant suffisamment stables pour assurer la formation d’atomes de masse supérieure à 300, situés donc au-delà du tableau périodique. Une telle configuration de la matière pourrait potentiellement exister au sein des étoiles à neutrons. Les physiciens ont exposé leurs recherches dans le journal Physical Review Letters.

quarks configuration

Les quarks peuvent former différentes configurations et donc différentes particules, selon leurs saveurs, leurs types et leurs arrangements. Crédits : Jülich

Les quarks sont des particules élémentaires constituant les particules composites appelées « hadrons ». Ces derniers se divisent en « mésons » — des particules composées d’une paire de quark-antiquark, et en « baryons » — des particules composées de trois quarks comme les protons et les neutrons. Il existe six saveurs (types) de quarks : Up (u), Down (d), Top (t), Bottom (b), Strange (s) et Charm (c).

La matière baryonique est exclusivement composée de protons et neutrons, uniquement constituée de quarks u et d. Au-delà des protons et neutrons, les quarks peuvent former d’autres structures selon leur agencement. Les quarks sont maintenus entre eux par les gluons, les bosons médiateurs de l’interaction nucléaire forte.

matiere quarks

Sous des conditions extrêmes de température et pression, les quarks peuvent être déconfinés, et former une « soupe » de quarks libres, appelée « matière chromodynamique ». Crédits : CERN

Si les quarks forment des arrangements stables au sein des baryons à des conditions de température et pression standards, il peuvent également former de telles configurations et atteindre leur état de plus basse énergie (état fondamental) à des conditions plus extrêmes, sous la forme de matière chromodynamique ou « matières à quarks ».

Cette forme de matière n’est plus composée de trois quarks fermement liés entre eux, mais d’une « soupe » de quarks libres. Ces conditions sont généralement réunies au sein de puissants accélérateurs de particules ou au sein d’étoiles à neutrons. En 1984, le physicien Edward Witten a suggéré que cette matière chromodynamique stable était en réalité constituée d’un mélange égal de quarks u, d et s ; elle a ainsi pris le nom de « matière étrange » (car composée de quarks Strange).

Au regard de la stabilité des configurations de quarks u et d au sein des noyaux atomiques, l’idée d’une matière chromodynamique composée seulement de quarks u et d, appelée « udQM » (pour Up-Down Quark Matter), a longtemps été rejetée par les scientifiques. Cependant, les physiciens de l’université de Toronto ont réussi à démontrer qu’en réalité, l’udQM possède une énergie de masse par baryon inférieure à celle de la matière baryonique classique et de la matière étrange. « Les physiciens ont cherché la matière étrange pendant des dizaines d’années. Selon nos résultats, nombre de scientifiques pourraient avoir cherché au mauvais endroit » explique Lisa Zyga, auteure de l’étude.

stabilite udqm

La matière chromodynamique composée de quarks u et d, atteint son niveau fondamental et devient stable pour des éléments de masse atomique (A) supérieure à 300. Crédits : Bob Holdom & al.

Sous des conditions de pression suffisantes, des quarks u et d pourraient s’arranger en udQM, dont l’état fondamental ne nécessite aucun quark s pour être stable. Ces conditions de pression et température sont théoriquement réunies au sein d’une étoile à neutrons, mais également à l’intérieur des protons mêmes. Les calculs des physiciens montrent que pour un élément de masse atomique supérieure à 300, les quarks u et d pourraient se réarranger en matière chromodynamique stable.

Créer ce genre d’élément nécessiterait une technologie plus avancée que celle dont nous disposons, mais ces résultats démontrent l’existence potentielle d’une région stable au-delà du tableau périodique. Il est aussi possible que de tels éléments puissent être créés au sein des rayons cosmiques et être détectés sur Terre.

« Approfondir nos connaissances sur l’udQM nous permettrait d’atteindre un vieil objectif : produire de l’énergie à partir de la matière chromodynamique », expliquent les auteurs. Une matière chromodynamique requérant un si bas niveau d’énergie ouvre d’importantes pistes de recherche et nous autorise à sortir de la science-fiction pour imaginer de futurs réacteurs à quarks.

Source : Physical review Letters

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