Trois supercalculateurs pour percer les mystères des quarks

, par  Grainede Ble , popularité : 1%

Les physiciens des particules mènent une nouvelle tentative pour résoudre les mystères des quarks à l’aide de trois ordinateurs géants, les plus puissants jamais appliqués à ce problème. Les quarks sont les particules fondamentales qui composent 99.9% de la matière ordinaire ; pourtant il est impossible d’observer un quark unique en laboratoire. Par voie de conséquence, certaines des propriétés de base des quarks sont encore mal connues, comme leurs masses précises ou le fait qu’il en existe six types différents.

Trois supercalculateurs pour percer les mystères des quarks

 

Les physiciens des particules mènent une nouvelle tentative pour résoudre les mystères des quarks à l’aide de trois ordinateurs géants, les plus puissants jamais appliqués à ce problème. Les quarks sont les particules fondamentales qui composent 99.9% de la matière ordinaire ; pourtant il est impossible d’observer un quark unique en laboratoire. Par voie de conséquence, certaines des propriétés de base des quarks sont encore mal connues, comme leurs masses précises ou le fait qu’il en existe six types différents.

 

En chromodynamique quantique (QCD) le treillis de l’espace-temps
est simulé par une structure quadridimensionnelle de points,
semblable à un réseau cristallin

Les quarks sont liés entre eux par l’interaction forte, de valeur relativement
peu élevée lorsque les quarks sont proches, mais qui augmente fortement quand
on essaie de les séparer, rendant impossible l’isolation d’un quark unique.
Pour remédier à ce problème, la théorie décrivant l’interaction forte, appelée
la chromodynamique quantique (QCD ) doit être simulée sur des ordinateurs
extrêmement puissants.

L’ordinateur de l’Université d’Edimbourg est la première de trois machines
identiques et fonctionne depuis janvier 2005. Le deuxième ordinateur est
inauguré ces jours-ci au Centre de Recherches de RIKEN à Brookhaven aux
Etats-Unis. Le troisième fait partie du programme de physique nucléaire du
ministère de l’énergie américain et est également installé à Brookhaven où il
est actuellement en phase de tests.

Ces ordinateurs sont élaborés sur la base de puces spécialement conçues pour
ces études, des "QCD-on-a-chip", ou QCDOC. Un peu moins rapides que les
microprocesseurs standards des ordinateurs personnels, les QCDOC ont été
étudiés pour consommer 10 fois moins de puissance, de sorte que des dizaines
de milliers ont pu être réunis dans une machine unique. Les calculateurs ont
été élaborés et construits conjointement par l’université d’Edimbourg,
l’université de Colombie (Etats-Unis), le centre de recherches de RIKEN et
IBM.

Chaque machine fonctionne à une vitesse de 10 Teraflops(c.-à-d. 10.000
milliards d’opérations en virgule flottante par seconde). Par comparaison, un
ordinateur de bureau usuel fonctionne à quelques Gigaflops (milliards
d’opérations par seconde), tandis que le supercalculateur BlueGene d’IBM,
proche parent étroit des QCDOC et l’ordinateur le plus rapide au monde,
fonctionne à plus de 100 Teraflops.

Avec la puissance de ces nouveaux ordinateurs à leur disposition, les
scientifiques s’attendent à des avancées cruciales de leur compréhension des
particules fondamentales et des quarks.

 


Un proton se compose de trois quarks, deux quarks top et un quark down,
plongé dans un mileu complexe de quarks, d’antiquarks
et de gluons dynamiques qui ont des charges de ’couleur’.
Globalement la charge de couleur du proton est nulle.
Le treillis QCD permet de calculer la masse du proton
et sa structure interne.


Les mystères des quarks

Les quarks n’apparaissent jamais séparément, mais toujours dans des états liés
par deux ou plus, pour former des hadrons, comme les protons et les neutrons
qui composent le noyau atomique. Ainsi, la nature dissimule ses particules
fondamentales et les scientifiques voudraient mieux comprendre comment
l’interaction forte réalise ceci.

Seule la masse du quark "top" est exactement connue, parce que les effets de
la QCD sont faibles pour une particule aussi lourde. Pour déterminer
précisément la masse des quarks plus légers ("up, down, strange, charme et
bottom"), des effets de la QCD doivent être calculés. Ces masses sont
nécessaires pour une compréhension rigoureuse de nombreux phénomènes.

Il existe six types de quarks et ceci semble être lié à la petite différence
entre la matière et l’antimatière, appelées la violation CP (charge parité),
qui peut aider à expliquer pourquoi notre univers est dominé par la matière
(et par conséquent pourquoi nous pouvons exister). Les simulations de QCD sont
nécessaires pour découvrir si nos théories actuelles peuvent expliquer cela,
ou si c’est une nouvelle physique qui est à l’œuvre.

La "théorie du Tout" devrait autoriser la désintégration des protons. Si c’est
le cas, la durée vie du proton doit être énorme, puisqu’on n’en a encore
jamais observé. Les limites expérimentales sur cette durée de vie, ainsi que
des simulations de QCD, imposent des restrictions sur ce que cette théorie
devrait être et ont déjà permis d’éliminer quelques théories candidates.

A des températures et densités extrêmes, telles qu’elles peuvent exister au
sein des étoiles à neutrons, la matière ordinaire faite de quarks liés
pourrait se "transformer" en un nouveau type de matière. Ce changement de
phase, qui est recherchée au laboratoire de Brookhaven en provoquant des
collisions de noyaux d’or et de plomb à haute énergie, est accessible aux
simulations de QCD. Ce qui se produira pourra nous montrer ce qui se déroule à
l’intérieur des objets les plus exotiques de l’univers.

Source : PPARC
Illustrations : Ian McVicar
 

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