Actu - Le secret de la masse du proton est percé...

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C'est un véritable tour de force que vient de réussir une équipe de physiciens français, allemands et hongrois. A l'aide d'un superordinateur construit par IBM de type BlueGene/P, ils viennent de calculer numériquement la masse du proton à partir des équations de la chromodynamique quantique avec une précision inégalée. Il s'agit d'un problème notoirement difficile sur lequel physiciens et informaticiens travaillent d'arrache-pied depuis trente ans.On sait aujourd'hui que les nucléons, c'est-à-dire les protons et les neutrons sont en fait constitués de quarks, ainsi que tous...

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[invité576543]

Pour expliquer la différence, il faut faire intervenir une mer de gluons échangés entre les quarks et qui, par l’énergie de liaison qu’ils représentent, vont constituer l’essentiel de la masse du proton.

Arghh... Ca ça heurte violemment ce que je croyais avoir compris.

Dans la compréhension que je m'étais bâtie, l'énergie de liaison d'un système lié stable est négative. Dans le cas l'essentiel de la masse d'un proton est l'énergie cinétique de ses constituants, l'énergie de liaison vient en moins. Ou, plus exactement pour le proton, on devrait avoir pour la masse les contributions suivantes, dans un modèle simpliste :

- masses des quarks : positif
- énergie cinétique des quarks (et des gluons et photons?): positif
- énergie de "liaison" électromagnétique : positif (parce que c'est répulsif)
- énergie de liaison correspondant à l'interaction forte : négatif

Avec somme des deux derniers termes négative, c'est l'énergie de liaison proprement dite.

Du coup, l'essentiel de la masse serait le second terme, l'énergie cinétique.

J'apprécierais si quelqu'un confirme quelle vue est correcte, à savoir si l'énergie de liaison contribue positivement à la masse du proton (comme le dit l'article), ou négativement comme je croyais l'avoir compris.

Et au passage s'il est correct que pour tous les systèmes stables liés, l'énergie de liaison est négative, ou s'il y a des exceptions (le proton?).

Cordialement,

[humanino]

Bonjour,

pour commencer, dans tous les cas "habituels" le terme de masse est grand et domine. L'energie de liaison negative vient comme une correction (dans le sens, petite par rapport a l'energie de masse des constituants). Ici les quarks sont tres legers, si legers que le proton ne devrait pas etre stable, s'ils pouvaient s'en echapper...

[invité576543]

Ici les quarks sont tres legers, si legers que le proton ne devrait pas etre stable, s'ils pouvaient s'en echapper...

C'est cela qui permettrait de parler de l'énergie de liaison comme une contribution positive à la masse d'un assemblage de quarks? (Sachant que ce n'est pas le cas pour un assemblage de nucléons...)

Cordialement,

[A voir en vidéo sur Futura]

[humanino]

Il est strictement impossible de parler d'energie de liaison au sens habituel, car on ne peut pas prendre les quarks dans etat libre, comparer avec l'etat lie et faire le bilan. Ce que l'on peut faire, c'est comparer plusieurs etats lies entre eux, ou bien mettre des quarks infiniements lourds (statiques) sur un reseau et mesurer la densite d'energie dans les tubes de glue qui se forment. Tout cela suggere un potentiel croissant lineaire d'approximativement 1 GeV/fm qui compte positivement dans la masse.

Mais dans tous les cas, la discussion peut durer sur la definition de la masse d'objets "non-volant bien identifies", la separation entre contributions de( l'energie cinetique de)s gluons et du nuage habillant les quarks effectifs selon l'echelle d'observation. Le probleme reviendra toujours a l'impossibilite de definir naivement un quark nu a grande distance libre. Le quark a grande distance est soit un quark effectif de masse approximativement 300 MeV/c^2, soit un quark leger dans un vide effectif au sein du nucleon different du vide a l'exterieur du nucleon. Ultimement, les deux descriptions doivent etre equivalentes si elles sont bien fondees.

[mtheory]

Arghh... Ca ça heurte violemment ce que je croyais avoir compris.

Dans la compréhension que je m'étais bâtie, l'énergie de liaison d'un système lié stable est négative. Dans le cas l'essentiel de la masse d'un proton est l'énergie cinétique de ses constituants, l'énergie de liaison vient en moins. Ou, plus exactement pour le proton, on devrait avoir pour la masse les contributions suivantes, dans un modèle simpliste :

- masses des quarks : positif
- énergie cinétique des quarks (et des gluons et photons?): positif
- énergie de "liaison" électromagnétique : positif (parce que c'est répulsif)
- énergie de liaison correspondant à l'interaction forte : négatif

Avec somme des deux derniers termes négative, c'est l'énergie de liaison proprement dite.

Du coup, l'essentiel de la masse serait le second terme, l'énergie cinétique.

J'apprécierais si quelqu'un confirme quelle vue est correcte, à savoir si l'énergie de liaison contribue positivement à la masse du proton (comme le dit l'article), ou négativement comme je croyais l'avoir compris.

Et au passage s'il est correct que pour tous les systèmes stables liés, l'énergie de liaison est négative, ou s'il y a des exceptions (le proton?).

Cordialement,

Bonjour,

Je réalise que j'ai passé allégrement sur un point important...

Plusieurs remarques dont la première est que je ne suis pas spécialiste de ces questions mais la façon dont je comprends le problème est la suivante.

En MQ l'énergie d'un système, comme par exemple l'atome d'hydrogène c'est le hamiltonien H énergie cinétique + énergie potentielle et il possède un spectre d'états discrets E_n pour une série d'état de base I n >.

ça, c'est quand on peut séparer clairement les différentes parts de l'hamiltonien d'énergie. Maintenant si je perturbe légérement l'atome d"hydrogène en le plaçant dans un champ magnétique, les nouveaux états de bases différent peu des anciens et de même pour les états d'énergies. On est dans le régime pertubatif.

Maintenant,dans le cas de qq chose de non linéaire comme pour la QCD, dans certains régime à couplage faibles, les états de bases sont bien les quarks et les gluons dont on parlent en générale, mais quand le couplage devient fort, on quitte le régime perturbatif et les états de bases du système ne sont plus approximable par des états simples. En gros, et aussi incroyable que ça puisse paraitre en raison des présentations vulgarisées, il est douteux de dire qu'un proton est constitué de quarks ! Ce sont les états de bases en approximation de couplage faible, dont comme dans e cas des expériences de diffusions à hautes énergies dans lesquelles on considère des distances courtes et donc des interactions fortes tendant vers 0, la fameuse liberté asymptotyque de Gross et Wilczek, qui sont les quarks et les gluons dont on parle.

Dans le cas des hadrons léger, le champ de couleur intéragit avec lui-même fortement, c'est là le point clé qui fait la grosse différence avec les intéractions électromagnétique, et il se produit une condensation du champ en forme de corde et c'est ça qui doit être responsable de l'esssentielle de la masse du proton. Il apparait ainsi des boules de glue, des paquets de gluons liés.

[CM63]

En utilisant formellement la notion de temps imaginaire il est alors possible de considérer fictivement que l’Univers est un réseau cristallin spatial à quatre dimensions, sur lequel on écrit les équations de la QCD.

Non pas un réseau cristallin mais un maillage, ce n'est pas la même chose. On divise l'espace(-temps) en mailles (des quadrangles, par exemple en 2D, et donc, ici, des hyper-briques) à l'intérieur desquelles les fonctions sont approchées par des fonctions simples, par exemple linéaires ou quadratiques. On dit que la formulation est « convergente » lorsque, si la taille des mailles tends vers 0, les fonctions réprésentées ont une limite qui vérifie les équations aux dérivées partielles à résoudre.

Temps imaginaire? Moi je croyais que l'espace était imaginaire et le temps réel, un point dans l'hyper-espace étant représenté par:
i + iy + jz + kt, où i²=j²=k²=-1 , i^j=-j^i=k , j^k=-k^j=i , k^i=-i^k=j

[CM63]

Je me suis trompé, c'est :

t+xi+yj+zk, t est le temps et (x,y,z) sont les coordonnées spaciales.

[Gwyddon]

Hello CM63,

On utilise bien un réseau cristallin au sens de la physique du solide. Pour ce qui est du temps imaginaire, c'est pour décrire tout cela avec une métrique euclidienne : faire t = i tau permet de passer d'une signature + - - - ( ou - + + + selon la convention ) à une signature + + + +, bien plus pratique pour les calculs numériques (d'autant plus que c'est dans cette signature que l'intégrale de chemin est bien définie).

[invité576543]

Bonsoir,

Je reviens à mon point. Les différentes réponses ne m'ont pas vraiment éclairé.

Dans un message sur un autre fil, mariposa cite le modèle de sac, avec des quarks libres. Dans ce cas la masse c'est l'énergie cinétique des quarks, non? (C'est d'ailleurs ce qu'écrit mariposa.)

(Et dans un tel modèle je peux rester avec mes idées naïves, en disant que l'énergie de liaison est nulle, la somme de la contribution de l'interaction forte (négative parce qu'attractive) compensant exactement la contribution de l'interaction électromagnétique (positive parce que répulsive). Evidemment cette vision est intenable pour une combinaison de deux quarks de charges opposées...)

Dans tous les cas de figure, la non prise en compte dans l'article de l'énergie cinétique des quarks m'interpelle.

Cordialement,

[mtheory]

Bonsoir,

Je reviens à mon point. Les différentes réponses ne m'ont pas vraiment éclairé.

Dans un message sur un autre fil, mariposa cite le modèle de sac, avec des quarks libres. Dans ce cas la masse c'est l'énergie cinétique des quarks, non? (C'est d'ailleurs ce qu'écrit mariposa.)



Cordialement,

En plus court, les hadrons légers sont des solitons d'équations non linéaire.

[Gaffal]

Beau travail
Vu les déformations que doivent subir l' espace et le temps local à ces niveaux d' énergie, j' ai du mal à imaginer une simulation sous forme de maillage...

Bon maintenant faut se retrousser les manches et trouver le moyen de désintégrer les protons un à un, pour récupérer toute cette énergie gluante et en faire profiter l' humanité...
Bref inventer l' energie de demain: la Protonique

[kalish]

bonsoir, j'ai le même article mais dit différemment et je crois qu'il va provoqué une crise d'angoisse chez Michel (mmy),
http://www.techno-science.net/?onglet=news&news=6026
il vaudrait donc mieux aller voir sur le site du CNRS

[invité576543]

je crois qu'il va provoqué une crise d'angoisse chez Michel (mmy)

Eh non, au contraire.

A comparer :

a masse du proton résulte principalement de l'énergie portée par ces tous petits "éléments" que sont les quarks et les gluons

une mer de gluons [...] qui, par l’énergie de liaison qu’ils représentent, vont constituer l’essentiel de la masse du proton.

Ce qui m'a choqué dans la news c'est l'absence de référence à l'énergie cinétique des quarks. L'article que tu cites n'a pas ce défaut à mes yeux.

L'autre point qui me gêne dans la news est le terme "énergie de liaison", à cause de l'erreur conceptuelle courante consistant à considérer comme "un ajout au système" l'énergie de liaison pour les liaisons atomiques et chimiques, alors qu'il s'agit au contraire d'un défaut d'énergie, vu du système.

L'article que tu cites n'a pas ce défaut non plus.

Cordialement,

[mtheory]

Eh non, au contraire.
Ce qui m'a choqué dans la news c'est l'absence de référence à l'énergie cinétique des quarks. L'article que tu cites n'a pas ce défaut à mes yeux.

L'autre point qui me gêne dans la news est le terme "énergie de liaison", à cause de l'erreur conceptuelle courante consistant à considérer comme "un ajout au système" l'énergie de liaison pour les liaisons atomiques et chimiques, alors qu'il s'agit au contraire d'un défaut d'énergie, vu du système.

L'article que tu cites n'a pas ce défaut non plus.

Cordialement,

Hello Michel !

Pourtant il s'agit bien d'une énergie de liaison car la structure en corde résultant d'effet d'autocouplage des gluons avec eux-même est précisément ce qui confine les quarks dans les hadrons, simplement ici il s'agit d'une énergie positive. Le problème est que la QCD ne se comporte pas comme la QED, les forces croissent avec la distance entre les quarks et les gluons interagissent entre eux directement alors que les photons, à cause de la linéarité des équations de Maxwell , ne le font pas.

Cette énergie du champ de gluon domine celle des quarks mais comme je l'ai dis, comme on est en régime non perturbatif, il n'est pas forcément très clair, sauf à introduire des modèles effectifs faisant ressembler le proton à un atome d'hydrogène, de parler de quarks et de leur énergie cinétique se déplaçant librement dans le proton. On peut le faire avec le modèle du sac mais ce n'est qu'un modèle.

Avec Maxwell tu as des équations en où et A est le potentiel vecteur.

En QCD tu as des termes en (a indiquant les 8 champs de gluons) qui se rajoutent et font penser à des termes de couplages entre champs de vitesse dans l'équation d'un fluide, d'où des comportement de solitons qui doivent apparaitre en QCD .

Ce sont ces termes d'interactions entre champs de gluons qui font la différence

[invité576543]

Pourtant il s'agit bien d'une énergie de liaison car la structure en corde résultant d'effet d'autocouplage des gluons avec eux-même est précisément ce qui confine les quarks dans les hadrons, simplement ici il s'agit d'une énergie positive. Le problème est que la QCD ne se comporte pas comme la QED, les forces croissent avec la distance entre les quarks et les gluons interagissent entre eux directement alors que les photons, à cause de la linéarité des équations de Maxwell , ne le font pas.

J'avais bien compris que le cas de la QCD était différent.

Du coup il y a deux points distincts. L'un est (pour moi) de mieux comprendre cette différence. L'autre est le terme "énergie de liaison" qui devient un faux-amis de première classe!

Parce qu'on reste devant l'idée que l'énergie électromagnétique attractive donne une contribution négative à la masse d'un atome, que l'énergie électromagnétique répulsive donne une contribution positive à la masse d'un noyau atomique comportant au moins deux protons, que l'interaction forte agissant attractivement donne une contribution négative à la masse d'un noyau atomique comportant plusieurs nucléons, et on propose une énergie "agglutinante" de contribution positive à la masse d'un proton.

J'ai tendance à conclure que ce serait une bonne chose de bannir totalement le terme "énergie de liaison", qui correspond à tout et son contraire.

Cordialement,

[mtheory]

J'ai tendance à conclure que ce serait une bonne chose de bannir totalement le terme "énergie de liaison", qui correspond à tout et son contraire.

Cordialement,

En quoi est-ce différent des réactions chimiques qui peuvent être exo ou endothermique au fond ?

[invité576543]

En quoi est-ce différent des réactions chimiques qui peuvent être exo ou endothermique au fond ?

Je ne comprends pas.

Tu connais des cas où une liaison entre deux atomes n'est pas un défaut d'énergie? Des cas où mettre en place la liaison à partir d'atomes libres ne libère pas de l'énergie?

Cordialement,

[humanino]

la structure en corde résultant d'effet d'autocouplage des gluons avec eux-même est précisément ce qui confine les quarks dans les hadrons

La croissance de la constante de couplage, ou d'un potentiel effectif d'interaction, est une condition suffisante mais pas necessaire au confinement

[kalish]

Si je puis me permettre, lorsque tu mesures un défaut ou un terme additif à la masse, tu le fais par rapport à une autre situation, je crois. un cas foufoufou serait d'imaginer un système instable où l'énergie électromagnétique serait encore inférieure, mais qui serait éludée par une autre force plus importante poussant la particule vers un niveau d'énergie électromagnétique supérieure. Tu serait bien obligé, même si elle était attractive, de considérer cette contribution comme positive non?

[Locaterre]

Je ne comprends pas...

Bonjour...

Moi non plus... j'ai pourtant (re-)lu votre échange ainsi que l'article en référence...

Une masse plutôt énigmatique

De prime abord, l’origine de la masse du proton est déroutante. En effet, les quarks le constituant, et qui sont au nombre de 3, uud, pèsent respectivement 3 MeV pour les quarks u et 6 MeV pour le quark d, alors que le proton lui-même pèse 938 MeV... Pour expliquer la différence, il faut faire intervenir une mer de gluons échangés entre les quarks et qui, par l’énergie de liaison qu’ils représentent, vont constituer l’essentiel de la masse du proton.

Serait-il osé d'établir un parallèle () entre la masse "manquante", au niveau microscopique, dans les hadrons et la masse manquante de l'univers au niveau macrocosme

[humanino]

Pourrais-tu preciser ce a quoi tu penses, sans faire completement devier la conversation ?

Il y a des gens qui ont essaye un parallele proche entre les deux :
Non-Abelian Effects in Gravitation
mais le moins qu'on puisse dire, c'est que cette tentative rencontre un profond scepticisme dans la communaute...

[Locaterre]

Pourrais-tu preciser ce a quoi tu penses, sans faire completement devier la conversation ?

Je m'étonnais que, tant au niveau macroscopique (univers) que microscopique (proton 938MeV / quarks 12Mev), il y est un questionnement concernant de la "masse manquante"
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Peut-on dire que le secret de la masse du proton est réellement percé ?

Pour expliquer la différence, il faut faire intervenir une mer de gluons échangés entre les quarks et qui, par l’énergie de liaison qu’ils représentent, vont constituer l’essentiel de la masse du proton

L'intervention de cette mer de gluons, c'est théorique ou validé par l'expérimentation ?

Merci