Les scientifiques ont démontré que les protons sont intriqués au maximum au niveau quantique lors de collisions avec des photons de haute énergie, étendant ces découvertes pour inclure des scénarios impliquant des pomérons. Crédit : Issues.fr.com
Lorsqu’une énergie élevée photon frappe un proton, les particules secondaires divergent d’une manière qui indique que l’intérieur du proton est intriqué au maximum. Une équipe internationale de physiciens avec la participation de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences à Cracovie vient de démontrer que l’intrication maximale est présente dans le proton même dans les cas où des pomérons sont impliqués dans les collisions.
Il y a dix-huit mois, il a été démontré que différentes parties de l’intérieur du proton devaient être intriquées de manière quantique maximale les unes avec les autres. Ce résultat, obtenu avec la participation du professeur Krzysztof Kutak de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (FIJ PAN) à Cracovie et du professeur Martin Hentschinski de l’Universidad de las Americas Puebla au Mexique, est le résultat de considérations et des observations de collisions de photons de haute énergie avec des quarks et des gluons dans des protons et ont conforté l’hypothèse présentée quelques années plus tôt par les professeurs Dimitri Kharzeev et Eugene Levin.
Maintenant, dans un article publié dans la revue Lettres d’examen physique, une équipe internationale de physiciens a présenté une analyse complémentaire de l’intrication pour les collisions entre photons et protons dans lesquelles des particules secondaires (hadrons) sont produites par un processus appelé diffusion inélastique profonde diffractive. La question principale était la suivante : l’intrication se produit-elle également entre les quarks et les gluons dans ces cas-là, et si oui, est-elle également maximale ?
Un photon à l’intérieur d’un proton peut entrer en collision avec un complexe temporaire de gluons, dont les charges colorées (ici représentées en rouge, vert et bleu) peuvent être collectivement neutralisées. Crédit : FIJ PAN
Comprendre l’intrication quantique
En termes simples : les physiciens parlent d’intrication entre divers objets quantiques lorsque les valeurs de certaines caractéristiques de ces objets sont liées. L’intrication quantique n’est pas observée dans le monde classique, mais son essence s’explique facilement par le tirage au sort de deux pièces. Chaque pièce a deux faces et, lorsqu’elle tombe, elle peut prendre l’une des deux valeurs mutuellement exclusives (pile ou face) avec la même probabilité. Nous aurions affaire à l’analogue de l’intrication quantique si, en lançant deux pièces simultanément, nous obtenions toujours soit seulement deux résultats différents (pile et face), soit deux résultats identiques (deux faces ou deux queues). Ici, l’intrication serait maximale car aucune valeur ne serait favorisée – la probabilité qu’une pièce soit à l’état pile ou face serait toujours de 50 %. Si l’intrication n’était pas maximale, la situation serait différente. On n’observerait pas toujours les deux mêmes combinaisons, mais parfois aussi l’autre.
« En physique nucléaire, l’existence d’un état d’intrication maximal peut être constatée dans les données expérimentales alors qu’en les regardant, nous savons que… nous ne savons rien. Lors de certaines collisions entre un électron et un proton, appelées diffusion inélastique profonde, le proton se brise complètement et de nombreuses particules soumises à de fortes interactions – appelées hadrons – sont produites. Nous avons alors affaire à un état d’intrication maximale du proton, chaque fois que nous ne pouvons pas prédire combien de hadrons seront créés lors d’une collision donnée », explique le professeur Kutak.
Processus diffractifs et pomérons
Des études antérieures sur l’intrication maximale de l’intérieur du proton portaient sur le cas mentionné ci-dessus, dans lequel des hadrons étaient produits lors d’une diffusion profondément inélastique d’un électron et d’un proton. De telles réactions sont faciles à repérer expérimentalement car elles entraînent une divergence des particules secondaires dans pratiquement toutes les directions (c’est-à-dire celles impliquant la direction primaire du mouvement des protons).
«On sait cependant qu’environ une collision sur dix se produit différemment : derrière le point de collision, dans certains intervalles angulaires, aucune particule n’est visible. Ce sont précisément ces processus que nous appelons diffraction ou production exclusive, et ils sont au centre de nos recherches actuelles sur l’intrication quantique », ajoute le professeur Kutak.
La production dans un processus profondément inélastique résulte de l’interaction d’un photon avec des partons (quarks et gluons) dans un proton. Dans le cas d’une production diffractive, le photon interagit également avec un parton du proton, mais qui fait partie d’une structure plus large, appelée poméron.
La caractéristique quantique la plus importante des gluons est leur couleur (qui n’a rien à voir avec la couleur telle que nous la connaissons dans la vie quotidienne, mis à part son nom). Les particules secondaires, observées dans les détecteurs à la suite de collisions, sont le résultat de processus dans lesquels les quarks et les gluons d’un proton échangent leur charge colorée. Cependant, les gluons peuvent former des états liés appelés pomérons, dans lesquels la couleur est mutuellement neutralisée. Lorsque lors d’une collision entre un photon et un parton, il s’avère que le parton faisait partie d’un poméron, la collision ne produira pas de hadrons divergents sur toute la plage angulaire couverte par les détecteurs. Au lieu de cela, certains détecteurs, théoriquement capables de voir les particules produites lors de la phase de collision en question, resteront silencieux.
L’équipe internationale de physiciens a pu montrer que lors de collisions impliquant des pomérons, un état est également créé à l’intérieur du proton dans lequel toutes les particules sont intriquées au maximum. Cependant, une différence avec les cas analysés précédemment apparaît clairement : lorsque des pomérons sont impliqués, l’intrication maximale apparaît à une énergie légèrement plus élevée.
La présente recherche complète nos connaissances antérieures sur le déroulement des événements lors de collisions entre photons et protons. Grâce à lui, on peut désormais dire que l’intrication maximale est un phénomène universel dans ces processus, présent dans les deux mécanismes de production de particules secondaires que nous connaissons.
« Notre résultat a une signification non seulement théorique, mais aussi pratique. En effet, une compréhension plus approfondie de la manière dont un état intriqué au maximum se forme à l’intérieur du proton permettra une meilleure interprétation des résultats des futurs collisionneurs de particules tels que le collisionneur électron-ion », conclut le professeur Kutak.
Du côté polonais, la recherche a été financée par le projet européen STRONG-2020 et une subvention de la Fondation polono-américaine Kosciuszko.
