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Les strangelets et la fin du monde

Le scénario catastrophe du BNL (I)

Depuis 1999, les physiciens du Brookhaven National Laboratory (BNL) étudient les collisions entre ions lourds. Certains auteurs parmi lesquels Horatiu Nastase, théoricien de l’Université Brown, suggéra dès les premières expériences que ces réactions nucléaires pourraient produire des “strangelets”, un nouvel état de la matière, déclenchant la destruction de la Terre suite à un effondrement gravitationnel semblable à celui se manifestant dans un trou noir.

Dans l’édition de juillet 1999 de Scientific American, Frank Wilczek[1] comparait les strangelets à de la "glace 9" (ice 9), une substance inventée par Kurt Vonnegul dans son roman "Cat's Cradle" publié en 1963 qui, au contact de l'eau, la gelait instantanément et conduisait à la destruction de la Terre.

En 2013, le film "Apocalypse Revolution" de Hansjörg Thurn décrivit une situation analogue où une expérience du CERN tourna mal, créant un trou noir artificiel qui modifia la force de gravité terrestre provoquant la chute des satellites et des avions parmi d'autres catastrophes.

La question est de savoir si une telle expérience est réalisable et quels seraient les risques. Le physicien Alvaro De Rújula, professeur de physique théorique et chercheur au CERN ainsi que ses collègues ont étudié la question de la destruction éventuelle de la Terre au cours de telles expériences. Même en considérant les pires scénarii à chaque étape de l’expérience, ils n’aboutissent pas à cette funeste catastrophe. Ouf !

Voyons leur étude en détail. Leurs conclusions seront apaisantes pour tout le monde.

Les strangelets

Les strangelets, que nous pourrions appeler "étrangelets" en français mais la dénomination anglo-saxonne est plus répandue, sont une nouvelle forme hypothétique de matière nucléaire constituée des quarks s étranges.

Dans des conditions nucléaires normales, lorsqu'un quark s est créé, il subit une décroissance spontanée qui le transforme en quark d et u par le biais des interactions faibles. Dans un plasma de quarks la réaction inverse peut se produire. Les quarks u et d, forcés d'occuper des états de très hautes énergies vont se convertir en quark s.

Les réactions de premier ordre conduisant à la production de quark s sont par exemple la diffusion faible u + d → s + u et la décroissance semi-leptonique u s + e+ + νe. On peut y ajouter la réaction u + e- → s + νe. Ces réactions se produisent très rapidement, en quelque 10-14 sec. Lorsque les interactions faibles sont terminées, la composition de la saveur du plasma de quarks est optimisée et on obtient un objet de densité finie constitué de quarks étranges, d'où son nom de "matière étrange" (lorsqu'il n'y a pas uniquement des quarks s) ou strangelet (lorsqu'il s'agit d'un doublet ou triplet de quarks s).

Pour être complet, rappelons que l'on pourrait trouver de la matière étrange dans les étoiles neutrons, la pression titanesque régnant dans leur noyau étant suffisante pour le transformer en un plasma de quarks. On en reparlera en astrophysique.

La charge électrique de la matière étrange

Dans leur état fondamental, si nous réunissons de nombreux quarks différents, on peut contourner le problème du principe d’exclusion de Pauli qui touche les fermions[2]. En substituant aux quarks u et d des quarks s, on peut générer une substance très énergétique. Bien que cette substance soit très massive en vertu de la masse élevée du quark s, A.Bodmer et E.Witten[3] ont suggéré que ces strangelets pouvaient être aussi stables que de la matière nucléaire ordinaire. D’autres chercheurs ont également expliqué leur abondance relative[4] et les raisons pour lesquelles ils n’ont probablement pas pu se former dans l’univers primordial[5].

La physique actuelle ne permet pas encore de comprendre les interactions entre quarks et de décider avec certitude si les strangelets sont une forme stable ou non de matière. Selon le modèle du “sac élastique” (bag model) développé au MIT[6], la question de leur masse (ou du nombre baryonique A) est encore très variable, oscillant entre quelques unités et celle d’une étoile neutron, soit 1057 fois supérieure !

Si la matière étrange contient un nombre égal de quarks u, d et s, elle est électriquement neutre. Puisque les quarks s sont plus massifs que les quarks u et d, la cinématique des gaz de Fermi (nous ignorons les interactions) indiquerait que cette dernière est supprimée, donnant à la matière étrange une charge positive par unité de nombre baryonique. Autrement dit, le rapport charge/baryon, Z/A > 0.

Rappelons que le nombre baryonique est conservé dans pratiquement toutes les interactions et vaut +1 pour le proton et -1 pour son antiparticule. Les quarks ont un nombre baryonique valant +1/3.

Pour les noyaux stables, nous savons que le rapport charge/baryon Z/A ~ 1/2. Mis à part les masses de quarks s très faibles et pour des valeurs d’interactions fortes CDQ tellement élevées que la théorie perd ses repères, selon E. Farhi and R. Jaffe le nombre Z/A pour les strangelets serait positif mais beaucoup plus petit que celui des nucléons.

Physiquement parlant, cela nous conduit à la limite entre le principe d’exclusion qui favorise les nombres identiques des constituants u, d et s (Z = 0) et les propriétés liées à l'excès de masse des quarks s qui défavorise leur existence dès qu’ils présentent un nombre Z positif.

Un strangelet positif signifie qu’à l’image d’un noyau atomique, il serait entouré d’un nuage d’électrons et résiderait confortablement au coeur de n’importe quel objet solide.

L’idée du “scénario catastrophe du BNL” évoque le fait qu’en raison de sa masse très élevée, un strangelet pourrait attirer à lui tous les nucléons. Devenant incroyablement massif, il s’enfoncerait jusqu’au centre de la Terre où il attirerait toute la planète à lui comme le ferait un trou noir. Comment peut-on arriver à cette conclusion ?

Cette hypothèse requiert en théorie l’existence de strangelets stables de charge négative. Comment est-ce possible ? Nous avons expliqué quelques lignes plus haut que si la suppression cinématique était la seule conséquence de la masse du quark étrange, la matière étrange et les strangelets présenteraient certainement une charge électrique positive. Mais dans un échantillon quelconque de plasma de quarks, la charge positive des quarks serait oblitérée par le gaz de Fermi des élecrons électriquement liés à la matière étrange. En fait, l'énergie induite par l'échange de gluons complique notre modèle. Sans nous étendre sur le sujet, la théorie des perturbations suggère que cette énergie est répulsive et tend à délier le plasma de quarks. Toutefois, les interactions des gluons s'affaiblissent à mesure que la masse des quarks augmente, de telle sorte que la répulsion gluonique est plus faible entre les paires s-s, s-u ou s-d qu'entre les quarks u et d.

Cela a pour conséquence que la population de quarks s dans la matière étrange est supérieure aux attentes sur base du seul principe d'exclusion de Pauli. Si la force des interactions des gluons augmente, on arrive à un point où les quarks étranges dominent. C'est à ce moment là que la charge électrique de la matière étrange devient négative.

En augmentant la force des interactions des gluons, on augmente ainsi la charge de la matière étrange vers le négatif. Toutefois, elle délie également la matière. Des valeurs déraisonnablement faibles de la constante du bag model sont alors nécessaires pour compenser l'importante force de répulsion gluonique. C'est pour cette raison qu'on considère qu'une matière étrange de charge négative est hautement improbable. Mais bon, puisque notre scénario catastrophe doit être viable jusqu'à l'absurde, admettons que cette matière soit chargée négativement.

Evolution d'un "strangelet killer"

Imaginons donc pour une quelconque raison inconnue, qu’il existe des stangelets dans un état stable négatif. Supposons également, pour une raison toute aussi inconnue, qu’un tel objet soit produit en laboratoire au cours d’une réaction à haute énergie et supposons enfin qu’il survive à la collision qui devrait le fragmenter. Cela fait beaucoup de suppositions peu vraisemblables.

Le strangelet négatif devrait alors attirer les noyaux positifs et sans doute les absorber. L’objet résultant pourrait perdre sa charge positive et ajuster son nombre d’étrangeté en capturant un électron ou au cours d’une décroissance bêta avec émission d'un positron.

Le nouveau strangelet pourra alors à nouveau présenter une charge négative et conserver son appétit pour les nucléons. S’il atteint une masse d’environ 0.3 ng (A ~ 2 x 1014), De Rújula[7] et Glashow ont démontré que cet objet s’enfoncera jusqu’au centre de la Terre sous son propre poids. Sa densité d’énergie fut estimée à 109 erg/cm3 soit environ 0.1 eV par molécule liée.

Si sa masse dépasse 1.5 ng, pour une densité nucléaire type l’objet deviendrait plus grand qu’un atome et le nuage de positrons dont il est enveloppé résiderait principalement à l’intérieur même du strangelet (pour les strangelets stables devenus aussi volumineux, le signe de Z est insignifiant).

Même sans l’appui de l’attraction Coulombienne entre charges opposées, les mouvements gravitationnels et thermiques peuvent alimenter la réaction d’accrétion en chaîne, au point qu’il serait possible que toute la planète soit absorbée, ne laissant finalement qu’un strangelet d’une masse voisine de celle de la Terre mais d’environ… 100 m de rayon ! La quantité d’énergie libérée par nucléon serait de l’ordre de quelques MeV et, si le processus est continu, la “Terre-strangelet” terminerait sa vie en apothéose dans un événement semblable à celui d’une supernova !

Les recherches entreprises avec le collisionneur d’ions lourds du BNL (RHIC) sur des atomes d’or ont permis d’analyser plus de 10 milliards d’événements chaque année et d’atteindre dans le centre de masse des énergies de l’ordre de 40 TeV (√ 200A GeV avec A ~197 pour l’or). Au taux actuel des expériences, il faudrait 100 ans aux physiciens du RHIC pour rassembler les données statistiques recueillies au CERN au cours des collisions Pb-Pb sur cible fixe Na-50. Toutefois, les collisions réalisées au CERN à la même époque ont abouti à des niveau d’énergie plus faibles (3.5 TeV, avec A ~207 pour le plomb).

Etant donné que la Terre a survécu aux expériences menées jusqu'à aujourd'hui, on peut supposer que soit la formation de “strangelets killer” comme les a baptisés de Rújula se produit uniquement à des niveaux d’énergie supérieures à ceux des expériences actuelles soit que la différence entres les expériences de collisions frontales ou sur cible fixe ne change rien à la question.

Dans une collision proton-proton, la probabilité de produire des noyaux et des antinoyaux lourds est hautement improbable étant donné que l’énergie requise pour former ces délicats ensembles est de loin supérieure à leur énergie de liaison. Les strangelets seraient, comme tous les noyaux, des objets fragiles qui se décomposeraient facilement. Dans des collisions entre nucléons, dans lesquelles les densités baryoniques initiales sont élevées, la production des strangelets peut être avantagée[8].

Toutefois, aux très hautes énergies développées dans les expériences RHIC du BNL, il est très difficile d’imaginer comment un strangelet pourrait être fabriqué et même survivre[9]. Mais la question n’est pas vraiment à l’ordre du jour car les physiciens n’ont pas encore inventé la théorie qui leur permettrait d’explorer cette éventualité. De plus, la question n’est peut-être même pas correctement posée.

En effet, on pose la question de savoir si les physiciens, pourraient, sur bases de faits établis, exclure sans l’ombre d’un doute le “scénario catastrophe du BNL” ? Ce type de question se pose chaque fois que l’on construit de nouveaux accélérateurs de particules. La réponse classique repose sur la comparaison entre les niveaux d’énergie atteints au cours des collisions en laboratoire et celles développées au cours du Big Bang. Si ces derniers sont des milliards de facteurs plus élevés que ceux envisagés dans nos laboratoires, la probabilité de créer une catastrophe dans un collisionneur de particules apparaît tout aussi négligeable.

Nous allons voir dans le prochain chapitre que le raisonnement le plus raisonnable, impliquant notamment des rayons cosmiques émis par les étoiles, pourrait contenir une éventuelle échappatoire. Mais la nature nous propose des voies alternatives que nous allons également explorer pour démontrer par l’absurde à quel point les limites potentiellement dangereuses des expériences du BNL ou du CERN sont préoccupantes...

Les limites classiques des rayons cosmiques

Considérons un strangelet créé par l’impact d'un rayon cosmique au sein de la matière. Les collisions qui se produisent dans les accélérateurs de particules de type RHIC (chocs frontaux) se produisent certainement dans la nature. Les noyaux de plomb et d’or sont similaires. Le plomb est relativement abondant dans les rayons cosmiques, dans le gaz interstellaire ou dans la couche superficielle des corps célestes non protégés par une atmosphère gazeuse, tels que la Lune ou les astéroïdes. Au cours d’une collision entre un rayon cosmique de plomb et un noyau de plomb au repos, l’énergie du rayon cosmique équivaut, dans un collisionneur RHIC, à 4000 TeV. C’est une énergie faible pour les standards des rayons cosmiques.

La composition des rayons cosmiques se mesure directement jusqu’à environ 100 TeV et indique que l’abondance relative des éléments lourds augmente avec l’énergie. Le flux de rayons cosmiques est également connu pour les périodes préhistoriques grâce aux enregistrements météoritiques, et apparaît stable depuis des milliards d’années. A partir de ces données il est possible de déduire qu’étant donné que la Lune n’a pas encore été détruite par des réactions en chaine de strangelets, la probabilité qu’une expérience RHIC détruise la Terre au cours des 5 ans d’expérience est “seulement” de l’ordre d’une sur mille. Quant à la production d’un strangelet dans une collision plomb-rayon cosmique sur un atome interstellaire de plomb, dont le strangelet continuerait son voyage jusqu’au coeur du Soleil et le détruirait, la probabilité est encore plus faible.

On peut étendre notre hypothèse aux 1021 étoiles contenues dans l’univers visible qui ne seraient pas détruites à un taux supérieure à celui des supernovae. La marge de sécurité atteint à présent des valeurs astronomiques. Mais ici également il y a une faille potentielle dans l’argumentation.

Dans le RHIC, les faisceaux d’ions lourds d’énergie égales et d’impulsions opposées sont conçus pour entrer en collision (le système du centre de masse coïncide dans ce cas-ci avec le système du laboratoire). Les hypothétiques strangelets peuvent être animés de vitesses lentes par rapport à celles de la lumière (c = 1 dans nos unités).

Cette faible vitesse ou production “centrale” va à l’encontre de l’idée habituelle[10] selon laquelle les strangelets devraient principalement être créés dans les milieux “riches en baryons”, c'est-à-dire dans les fragments résultant des collisions et situés en amont et en aval du centre de masse.

Dans le cas de la production centrale, le RHIC serait le premier laboratoire à pouvoir potentiellement créer des stangelets pratiquement au repos. En terme de risque pour la survie de la Terre, cette production centrale serait le pire scénario ainsi que nous allons l’expliquer.

Soit EB ~ 7 MeV l’énergie typique de liaison nucléaire par nucléon. Un noyau ayant une énergie cinétique inférieure à environ 5 MeV (v < vcrit ~ 0.1) a peu de chance de survivre à une collision avec un autre noyau. Un strangelet étant également une forme de matière nucléaire, son énergie de liaison par baryon (ou par triplet de quarks) ne peut pas être beaucoup supérieure à celle d’un nucléon. Et dès lors, la probabilité qu’il survive aux collisions nucléaires ne peut pas être fort différente pour les strangelets et pour les nucléons. Cela signifie qu’un strangelet lent (v < vcrit) qui serait détecté dans le RHIC et qui entrerait en collision avec des noyaux de fer dans un aimant ou avec le béton de l’enceinte aurait peu de chance de survivre sans se briser en fragments potentiellement inoffensifs.

Un strangelet ionisé, lent et lourd, se retrouverait à l’état de repos après avoir traversé une colonne de densité d’environ 1 g/cm2, niveau à partir duquel il pourrait hypothétiquement commencer à absorber les noyaux avoisinants. C’est le seuil du “scénario catastrophe” du BNL.

Si seuls les strangelets ”naturels” transportés à des vitesses relativistes par les rayons cosmiques entrent en collision avec de la matière au repos, ils s’échapperont du point d’impact avec un facteur de Lorentz γ = E/M, qui est de l’ordre de grandeur de 100 pour une collision Pb–Pb dans une expérience classique au RHIC.

A ce niveau très élevé d’énergie (v ~1), le strangelet a une faible probabilité de survivre à une simple collision nucléaire. Des collisions élastiques (non destructives) transmettent peu d’impulsion et d’énergie. Il faudrait de nombreuses collisions successives et non dispersées pour amener les strangelets au repos. La probabilité qu’ils survivent diminue exponentiellement jusqu’à des valeurs réellement très faibles. Ceci pourrait compenser le grand nombre de strangelets produits au cours des collisions avec les rayons cosmiques sur des cibles fixes depuis l’aube des temps.

Cela pourrait aussi expliquer pourquoi au CERN, le Na-50 n’avait pas déclenché de cataclysme malgré les grandes valeurs statistiques. Pour éviter cette échappatoire théorique, il faudrait trouver dans la nature l’équivalent d’un collisionneur d’ions lourds.

Deuxième partie

Les collisions d’ions lourds dans l’espace

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[1] F.Wilczek, reply to “Black holes at Brookhaven” by W.L. Wagner, Scientific American 281, no. 1, page 5 (July 1999).

[2] Pour empêcher deux fermions (toutes les particules y compris les quarks, sauf les bosons) d'occuper le même état d'énergie, en 1935 Pauli imposa que ceux-ci ne peuvent avoir la même combinaison des quatre nombres quantiques pris 2 à 2, qu'il s'agisse du niveau d'énergie, du spin, du moment angulaire, etc. Si deux particules pouvaient se trouver dans les mêmes états quantiques, les électrons des différentes couches par exemple ‘chuteraient’ sur le noyau et deviendraient indiscernables; c'est la statistique de Fermi-Dirac. C’est l’action de ce principe et la structure du noyau qui donne sa consistance à la matière. Cette loi est toujours valide et dans le cas contraire les propriétés de la matière ou du rayonnement sont altérés. Seuls les bosons vecteurs, tel le photon et les particules vibrants en cohérence (les paires d'électrons) n'obéissent pas à ce principe; c'est la statistique Bose-Einstein.

[3] A.R. Bodmer, Phys. Rev. D 4, p1601, 1971 - E. Witten, Phys. Rev. D 30, p272, 1984.

[4] D. M.Lowder, dans “Strange Quark Matter in Physics and Astrophysics”, éd. J.Madsen et P. Haensel, Nucl. Phys. (Proc. Suppl.) B 24, p177, 1991 - P.B. Price, Phys. Rev. D 38, 3813, 1988 - A. De Rújula, Nucl. Phys. A, 434, p605c, 1984 - A. De Rújula et S.L. Glashow, Nature, 312, p734, 1984.

[5] C.Alcock et E. Farhi, Phys. Rev. D 32, p1273, 1985.

[6] Cf. J. Madsen, dans “Hadrons in Dense Matter and Hadrosynthesis”, éd. J.Cleymans, H.B. Geyer et F.G. Scholtz, Lecture Notes dans “Physics”, Springer Verlag, 1999 - E. Farhi et R. Jaffe, Phys. Rev. D 30, p2379, 1984.

[7] A. De Rújula et S.L. Glashow, Nature, 312, p734, 1984.

[8] C. Greiner et H. Stöcker, Phys. Rev. D 44, p3517, 1991 - C. Greiner, D. Rischke, H. Stöcker et P. Koch, Phys. Rev. D 38, p2797, 1988 - C. Greiner, P. Koch et H. Stöcker, Phys. Rev. Lett. 58, p1825, 1987.

[9] K.S. Lee et U. Heinz, Phys. Rev. D 47, p2068, 1993.

[10] C. Greiner, H. Stöcker et al, op.cit.


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