Lagrangiens relativistes pour la description des noyaux finis et de la matière dense – RELANSE

Le projet RELANSE explore les propriétés de la matière dans un régime où la théorie de l'interaction forte, la chromo-dynamique quantique (QCD), ne peut être appliquée directement en raison de sa nature non-perturbative à basse énergie. Cette théorie prédit cependant l'apparition d'un champ chiral émergeant spontanément à basse énergie ainsi que le confinement de couleur, ce qui implique que les nucléons et les mésons sont les degrés de liberté à basse énergie. Nous proposons de développer une approche relativiste innovante décrivant les champs chiraux, nucléons et mésons, et de consolider la description unifiée des noyaux finis et des étoiles à neutrons. La particularité de notre projet réside dans l’analyse systématiquement des approches Hartree et Hartree-Fock qui sont ajustées aux mêmes données. En particulier, nous abordons la question de la description relativiste de la matière dense, où la vitesse du son devient comparable à la vitesse de la lumière.
L'originalité de notre projet est d'ancrer les approches relativistes employées dans les noyaux finis à la phénoménologie de la sous-structure en quarks, par exemple en incluant des résultats la QCD sur réseau, la polarisabilité des nucléons, VDM et le modèle de quarks. De cette manière, les effets du milieu apparaissent dans notre modèle d'une manière simple et traçable. Notre approche fournit donc un guide robuste pour prédire les propriétés de la matière dense existant dans les étoiles à neutrons. De plus, nous utilisons l’approche bayésienne pour comparer les différents scénarios aux données nucléaires et astrophysiques, par exemple, les ondes gravitationnelles et l'émission de rayons X des pulsars. Dans ce cadre, les incertitudes théoriques, expérimentales et astrophysiques sont utilisées afin d'estimer la qualité des nouveaux modèles.
Pour les noyaux finis, nous étudions l'impact des nouveaux modèles sur les propriétés de l'état fondamental, par exemple les énergies, les rayons, la peau des neutrons, ainsi que la déformation, les agrégats moléculaires, la désintégration alpha et leurs conséquences expérimentales. La nouveauté de notre modèle est de permettre une réduction du temps de calcul des approches actuelles, qui utilisent des constantes de couplage dépendant de la densité. Nous estimons qu’il sera comparable aux meilleurs modèles en ce qui concerne l’accord expérience-théorie, et ce projet est crucial pour le démontrer. Nous utilisons toutes les données existantes pour mieux contraindre notre modèle, nous étudions la consistance des expériences PREX et CREX de diffusion d'électrons sur des noyaux et nous nous intéressons à la description des noyaux exotiques.
Pour les étoiles à neutrons, nous complétons nos modèles relativistes en considérant différents scénarios pour la matière dense. Notre méthodologie consiste ainsi à explorer les différentes équations d'état, qui explorent les incertitudes théoriques actuelles sur l'existence de nouvelles phases de la matière à haute densité, par exemple la matière de quarks, la matière d’hyperons, ou encore la matière quarkyonique. Nous comparons ensuite les prédictions de ces différents scénarios aux données astrophysiques et nous étudions dans quelle mesure ces données indiquent une préférence pour un des scénarios décrivant le cœur des étoiles à neutrons.
Le développement de nouveaux lagrangiens effectifs nous permet de contribuer à répondre aux questions fondamentales liées à la force forte dans la matière dense et l'approche bayésienne établit le lien entre ces propriétés fondamentales et les données existantes dans les noyaux finis et dans les étoiles à neutrons. Nous voulons comprendre dans quelle mesure les écarts entre les contraintes de la QCD, les noyaux finis et les étoiles à neutrons pourraient être comblés et quelles propriétés effectives de la QCD sont cruciales dans la matière dense et à basse énergie.
Toutes les données et codes seront rendus publics et une interface python sera fournie à la communauté.