Aperçu
La recherche en physique nucléaire est axée sur la compréhension de la matière composée de quarks et de gluons, qui constitue 99% de la masse de l’univers. La majeure partie de cette matière se trouve au cœur des atomes, les mêmes atomes qui composent tout ce que nous voyons autour de nous (y compris nous-mêmes). Les chercheurs cherchent à répondre à des questions telles que comment l’univers a évolué juste après le Big Bang à partir d’un plasma super chaud de quarks et de gluons, comment les différents éléments de l’univers se sont formés et comment un noyau est composé de protons et de neutrons individuels interagissant les uns avec les autres avec la force la plus forte de la Nature. Les protons et les neutrons eux-mêmes sont les états liés de base des quarks dans l’univers; la façon dont ces états sont formés à partir de quarks interagissant avec le champ gluonique décrit par la chromodynamique quantique n’est encore que mal comprise et sous étude active.
Recherche expérimentale en physique nucléaire
La recherche expérimentale moderne dans ce domaine utilise l’accélération à haute énergie des protons et des gros noyaux, tandis qu’une grande partie de la recherche théorique moderne repose sur des installations de calcul de haute puissance pour comprendre les données et faire des prédictions détaillées. L’Université du Colorado a des groupes actifs dans la recherche théorique et expérimentale en physique nucléaire.
Professeurs participants
Recherche théorique en physique nucléaire
Les physiciens de ce domaine explorent la nature de la force forte en étudiant la théorie de la chromodynamique quantique. Contrairement à la théorie quantique de l’électromagnétisme, la chromodynamique quantique a la propriété que les particules fondamentales (quarks et gluons) interagissent de plus en plus faiblement lorsqu’elles sont sondées à des échelles d’énergie ou à des températures de plus en plus élevées. Cette propriété de la théorie est appelée liberté asymptotique.
Plasma de Quarks-gluons
Une conséquence intéressante de la liberté asymptotique est qu’à une certaine température, l’interaction doit être si faible que les particules fondamentales ne sont plus liées (liées) à l’intérieur des noyaux ordinaires. En utilisant des simulations informatiques de pointe de la chromodynamique quantique à température nite, il est possible de calculer cette température à T≈170 MeV, soit environ 2 billions de Kelvins. Au-dessus de cette température, la matière est dans une nouvelle phase de la matière, appelée plasma quark-gluon. Les propriétés de ce plasma quark-gluon sont actuellement étudiées à l’aide d’expériences au Collisionneur Relativiste d’ions Lourds (RHIC) et au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC).
Hydrodynamique relativiste
Les données expérimentales de RHIC et du LHC indiquent fortement que le plasma quark-gluon est un liquide exceptionnellement bon, avec une viscosité très faible. Cela motive l’étude théorique des résultats expérimentaux à l’aide de simulations dynamiques des fluides. L’énergie impliquée dans ces expériences étant très importante, les constituants fluides se déplacent presque à la vitesse de la lumière, ce qui nécessite d’utiliser une version entièrement relativiste de l’hydrodynamique.
Les étoiles à neutrons
Les densités très élevées sont similaires aux températures très élevées en ce sens que l’interaction de la chromodynamique quantique devient faible. Les centres des étoiles à neutrons devraient atteindre les densités de particules les plus élevées de l’univers, il est donc possible que les étoiles à neutrons abritent de la matière quark dans leurs noyaux internes. Étudier les propriétés des étoiles à neutrons et les comparer aux données d’observation est également l’un des sujets de recherche de la physique nucléaire théorique.
Professeurs participants
- Paul Romatschke