Étoile à quarks

Avec cette œuvre nous pénétrons au cœur d’une étoile à quarks dans un état de la matière encore mystérieux que les physiciens tentent de comprendre et d’expliquer. J’ouvre donc la revue Dossier pour la Science n° 75 page 28 :

Dès 1986 deux équipes de chercheurs avaient avancé l’idée « d’étoiles étranges » constituées de quarks up, down et étranges. Les quarks sont des particules élémentaires dont on distingue six types : up, down, étrange, charmé, bottom et top. Les quarks up et down s’associent avec les gluons pour former les protons et les neutrons. Les autres types de quarks ont été mis en évidence dans les grands accélérateurs de particules. Une étoile étrange aurait un rayon inférieur à celui d’une étoile à neutrons, mais une masse similaire, elle serait alors plus dense. L’interaction forte entre les quarks contrebalancerait la gravitation.

Sur cette œuvre les quarks up sont représentés en boules rouges, les quarks down en boules vertes, les quarks s ou « étranges » en boules bleu marine, les paires de quarks charmés en deux boules orange symbolisant la particule J/psi et sa désintégration en deux muons en boules bleu roi.

L’ETOILE A QUARKS : elle est représentée au centre de l’œuvre et jusqu’au deuxième cercle délimité par les grandes lignes jaunes.

On peut imaginer la matière d’une étoile à neutrons comprimée jusqu’à « dissoudre » les protons et les neutrons en une « soupe » beaucoup plus dense : les quarks up et down ainsi que les gluons ne sont plus confinés. Cette transition est prédite par la théorie de l’interaction forte, mais on ignore encore à quelle densité elle s’effectue et donc si on la trouve dans les étoiles compactes : supposons que ce soit le cas. Puisque la densité est la plus élevée au centre de l’étoile, à cause de la gravitation, un cœur de matière de quarks devrait se former dans une étoile à neutrons : on parle alors d’une étoile hybride.

Page 29 : l’indispensable quark étrange : voyons comment sa présence autorise l’existence d’étoiles à quarks. Convertir la matière ordinaire (neutrons protons noyaux et électrons) en une matière de quarks n’est possible qu’avec un gain d’énergie. Or le Principe de Pauli stipule qu’en physique quantique, deux particules de type « fermion » (neutrons, protons, quarks) ne peuvent pas occuper le même état d’énergie : ainsi pour en réunir un grand nombre dans un volume donné, on doit les « empiler ». L’idée du Britannique Arnold Bodmer en 1971 et de l’Américain Edward Witten en 1984 consiste à créer une pile supplémentaire, celle des quarks « étranges ». Le quark étrange étant plus massif que les quarks up et down, et puisqu’une masse correspond à une énergie, le tas de quarks « étranges » commence à un niveau d’énergie plus élevé. A part sa masse, le quark étrange a des propriétés similaires à celles du quark down, et notamment une charge identique -1/3. Quand la hauteur (l’énergie pour ajouter un quark supplémentaire) de la pile de quarks down dépasse la masse du quark étrange, on peut imaginer que le système trouve favorable de transformer un quark down en un quark étrange. La hauteur du tas de quarks down diminue tandis que celle du tas de quarks « étranges » augmente. Ce phénomène fonctionne tant que l’énergie totale de la matière de quarks décroît. Cette matière de quarks « étranges » down et up serait plus stable que la matière ordinaire.

En partant du centre de l’œuvre un premier cercle sur fond gris clair délimite la partie centrale de l’étoile à quarks : tout autour de grandes lignes jaunes forment un contour autour duquel courent les électrons en petites billes bleues : il s’agit de l’atmosphère chargée, une propriété étonnante des étoiles à quarks. Page 30 : la matière centrale de l’étoile est composée de quarks up, down et étranges en nombre presque identique… « presque » car la masse du quark étrange étant légèrement supérieure à celle des deux autres, la plupart des modèles prédisent que celui-ci est un peu moins abondant que les deux autres. Les charges électriques d’un quark up, d’un quark down et d’un quark étrange s’annulent exactement quand elles s’additionnent. Le déficit de quarks « étranges » entraîne donc l’apparition d’une petite charge électrique. Le rayon d’action des électrons étant beaucoup plus grand que celui des quarks, on peut alors imaginer la surface en quarks comme un mur avec de nombreux électrons qui le traversent à grande vitesse. Une telle atmosphère d’électrons face à la surface chargée positivement de l’étoile créerait un champ électrique immense ! Les estimations vont jusqu’à 10 puis.17 volts par mètres, des paires d’électrons-positrons se créeraient et leur rayonnement constitueraient un signal possible pour la détection d’une étoile étrange. C’est donc cette hypothèse que j’ai représentée.

Pages 30-31 : La description de la surface d’une étoile étrange n’est peut-être pas aussi simple. En effet deux visions alternatives ont récemment été proposées : l’une d’elles incite les physiciens à penser que la matière à quarks à haute densité peut se trouver dans un tout nouvel état dit supraconducteur de couleur en référence à la chromodynamique quantique. Dans ce nouvel état, le nombre de quarks up, down et étranges est égal et la matière devient neutre en l’absence d’électrons. Selon la seconde hypothèse, près de la surface les quarks et les électrons ne seraient pas répartis de façon homogène, mais plutôt en gouttes de quarks entourés d’un gaz d’électrons.

Voici un extrait de l’article « Les frémissements des étoiles étranges » : si la matière étrange contient des quarks u (+ 2/3) d (-1/3) et s (-1/3) en quantités égales, elle est électriquement neutre. Or les quarks d et s peuvent se désintégrer en un quark u, avec émission d’un électron et d’un antineutrino, entraînant la présence avec les quarks d’un petit nombre d’électrons. Ceux-ci ne sont pas liés à la matière étrange par l’interaction forte à laquelle ils ne sont pas soumis, mais par l’interaction électromagnétique de plus grande portée. Par conséquent, même si la charge globale d’un échantillon de matière étrange, encore appelé « strangelet » est nulle, il apparaît une répartition électrique dipolaire, avec les électrons à l’extérieur et les quarks à l’intérieur. Un champ électrique alors intense est dirigé vers l’extérieur, formant une barrière énergétique qui repousse toute matière nucléaire.

« Les frémissements des étoiles étranges » : la conversion d’une étoile à neutrons en étoile étrange est favorisée par la thermodynamique, et semble inévitable si un strangelet apparaît dans l’étoile à neutrons. La conversion serait très rapide : entre une seconde et une dizaine de minutes. Elle se déroulerait par étapes : tout d’abord, la matière très comprimée du centre d’une étoile à neutrons devient un plasma de quarks u et d : celui ci étant très instable, certains quarks se transforment en quarks étranges. L’étoile à neutrons possède alors très vite un cœur de matière étrange. Les neutrons au contact de ce cœur se convertissent en matière étrange, jusqu’à ce que toute l’étoile soit devenue étrange, à l’exception peut-être d’une partie de la croûte.

Sur l’œuvre au delà du premier cercle délimité par les grandes lignes jaunes le long desquelles courent les électrons en petites billes bleues et en allant vers le deuxième cercle extérieur également délimité par de grandes lignes jaunes, on aperçoit les derniers neutrons (deux boules vertes et une boule rouge) ainsi que les quarks up down et strange qui après déconfinement se retrouvent à l’état libre. J’ai également symbolisé la particule W composée de trois quarks étranges ainsi que des paquets de quarks étranges nommés strangelets en amas de boules bleu marine. J’ai imaginé la désintégration du J/psi symbolisée par deux boules orange représentant les deux quarks charmés se transformant en deux muons en boules bleues, avant que le plasma ne devienne trop dense au centre de l’étoile et que cette particule ne disparaisse. Entre les grandes lignes jaunes apparaît la représentation de condensats en boules alignées de quarks up down ou étranges, les particules s’assemblent dans un même état quantique.

Dossier pour la Science n° 75 : page 25 : au fur et à mesure que l’on s’enfonce les noyaux s’enrichissent en neutrons. Sous cette couche de transition, l’étoile est composée d’un liquide dit neutronique. Quand la densité approche celle d’un noyau, des muons commencent à apparaître. On pense que de nouvelles particules apparaissent, notamment des hypérons (des sortes de nucléons contenant des quarks s) dont les interactions sont peu connues, puis peut-être des bosons (pions ou kaons) qui, comme tous les bosons à température nulle se condensent en un seul et unique état quantique, un condensat de Bose-Einstein.

L’Energie de Fermi : p 24 : à la naissance les étoiles à neutrons ont des températures supérieures à 100 milliards de degrés, mais elles refroidissent rapidement en émettant des neutrinos, et étonnamment cette température peut être considérée comme nulle un an après leur formation lorsqu’elle tombe au-dessous.. de un milliard de degrés. Aux densités nucléaires nous devons considérer la façon dont les composants de la matière interagissent, les particules que nous rencontrons sont celles du modèle standard : les quarks forment des mésons lorsqu’ils sont groupés par deux et des baryons (protons neutrons hypérons) lorsqu’ils sont groupés par trois . Les quarks et les baryons sont des fermions et obéissent au principe d’exclusion de Pauli, à l’inverse les mésons sont des bosons et ils peuvent se condenser dans le même état quantique.

L’ETOILE A NEUTRONS : elle est représentée au bord de l’œuvre au delà du deuxième cercle délimité par les grandes lignes jaunes.

Page 32 : dans une étoile à neutrons ordinaire, quelques neutrons peuvent être remplacés par des particules Lambda (un quark u un quark d un quark s), et dans une étoile hybride quelques quarks down par des quarks étranges. La masse d’une étoile à neutrons pourrait ainsi augmenter de 10 à 20 pour cent. La densité de matière étrange augmenterait également pendant la phase accrétante, ce qui constituerait le départ d’une combustion en étoile étrange. Les strangelets petites boules de matière de quarks étranges pourraient varier selon les modèles entre une centaine de quarks étranges jusqu’à des milliards.

Page 27 : deux réactions déterminent l’équilibre de la matière dans les étoiles à neutrons : les réactions bêta et bêta inverse au cours desquelles les neutrons se désintègrent en protons et en électrons, tandis que ces derniers se combinent en neutrons. Sur l’œuvre au delà du deuxième cercle jaune en allant vers le bord ces réactions sont symbolisées par les flèches jaunes représentant la transformation d’un proton en neutron ou d’un neutron en proton. L’énergie convertie en neutrinos ou antineutrinos est symbolisée par les longs traits roses surmontés d’une petite bille de même couleur et s’enfuyant vers l’extérieur de l’étoile. Toujours au bord de l’œuvre et parmi les protons et neutrons apparaissent les hypérons déjà cités tels le Lambda composé d’un quark up d’un quark down et d’un quark étrange, le Xi composé de deux quarks étranges et d’un quark down et le Xi° composé de deux quarks étranges et d’un quark up.

On peut rêver à l’intérieur d’une étoile à neutrons et d’une étoile à quarks. Entre les particules j’ai représenté de grands tourbillons en jaune et gris clair symbolisant des vortex. Page 27 : des observations ont révélé des complexités insoupçonnées dans la vie d’une étoile à neutrons. Elle serait animée d’une sorte de tectonique dont le moteur est la superfluidité des neutrons dans les couches inférieures. A cause de l’émission d’énergie près de la surface, l’étoile ralentit, mais ce ralentissement ne concerne que l’écorce, le superfluide de neutrons lui n’est pas ralenti. De ce fait les vortex ancrés dans l’écorce interne se tordent et transmettent à l’écorce des contraintes.

Voilà le « voyage » terminé en partant d’une étoile à neutrons au bord de l’œuvre jusqu’à la densité centrale d’une étoile à quarks, on peut rêver aux tourbillons de matière tout en restant au plus près des dernières modèles de cœurs d’étoiles et de l’étude de leur physique interne