Des ailes en poudre d'un papillon aux épines glacées d'un flocon de neige, la symétrie est une caractéristique commune dans la nature. Cela tient souvent vrai aux plus petits morceaux de matière, ce qui aide les physiciens nucléaires à s'assurer que leurs mesures des habitants du monde subatomique sont exactes. L'astuce consiste à savoir quand quelque chose que vous mesurez est symétrique et quand il ne l'est pas.
Maintenant, les physiciens nucléaires menant des expériences dans les installations nationales de l'accélérateur national du Département américain de l'Énergie ont trouvé de nouveaux cas de symétrie isospin brisée et inattendue. La découverte a bouleversé la façon dont certaines particules sont produites dans des expériences et pourraient avoir des implications pour les études futures de ces particules.
La recherche est publiée dans la revue Lettres de physique B.
Les physiciens ont fait la découverte en appliquant les règles de symétrie à la force forte qui lie les petites particules appelées quarks et gluons pour former des particules plus grandes, y compris les protons et les neutrons au centre de chaque atome. Bien que cette force maintient notre univers ensemble, elle reste mystérieuse.
Certaines expériences cherchent à en savoir plus en explorant un processus compliqué connu sous le nom de fragmentation. La fragmentation se produit lorsqu'un noyau est déchiré, libérant des quarks de leurs protons et neutrons. Ces quarks solitaires mais énergisés ne restent jamais célibataires, mais ils transforment plutôt leur énergie supplémentaire en d'autres types de particules fortement en interaction pour s'associer.
Dans la symétrie isospin, les différents types – « saveurs » – de quarks, comme un quark up ou un quark en duvet, se fragmenteront en nouvelles particules de manière symétrique. Cependant, de nouveaux résultats d'une expérience ont révélé que la fragmentation n'obéit pas toujours à cette symétrie.
« Une grande partie de la façon dont nous comprenons que la nature a à voir avec les symétries et que ce soit de bonnes symétries ou de mauvaises symétries, et je pense que le fait que ce n'est pas toujours une bonne symétrie est un indice pour nous que la forte interaction est plus compliquée que le principal enquêteur de l'expérience.
Précision avec les pions
Cette symétrie a été testée dans une expérience réalisée à l'installation d'accélérateur de faisceau d'électrons continu (CEBAF) de Jefferson Lab (CEBAF).
Les électrons énergétiques de CEBAF visaient des cibles d'hydrogène pour étudier les quarks en protons et à des cibles de Deuteron pour étudier les quarks dans les neutrons. Les électrons du faisceau de Cebaf ont pu se séparer complètement un proton ou un neutron, ce qui a fait subir la fragmentation du quark frappé et former une nouvelle particule.
L'équipe a étudié les Pions formés par ces quarks frappés. Les pions sont une particule composée de deux quarks. Les chercheurs ont pu détecter avec précision tous les pions créés avec le spectromètre de quantité de mouvement super élevé. Ils ont ensuite travaillé en arrière pour savoir quel type de quark a été à l'origine touché.
Dipangkar Dutta, professeur à la Mississippi State University et enquêteur principal de ce travail, a déclaré que les données détaillées permettaient une exquise comptabilisant ce processus.
« Parce que Jefferson Lab a une machine à très haute intensité et que les spectromètres sont très bien compris, nous pouvons sélectionner de petites régions de l'énergie et de l'élan des pions qui sortent afin de comprendre ce qui s'est produit exactement lorsque le Quark a été touché par un électron et comment il s'est transformé en pion », a-t-il déclaré.
Souvent, lorsqu'un quark up dans un proton est frappé, il se transformera en un « Pi Plus », une pion chargée positivement qui contient un quark up. De même, si un quark en duvet dans un neutron est frappé, il se transformera généralement en un « pi moins », un pion chargé négativement qui contient un quark en duvet.
La symétrie isospin décrit que ces deux processus, connus sous le nom de processus de fragmentation privilégiés, car ils sont plus susceptibles de se produire, se produisent avec la même probabilité. En nature, les processus de fragmentation défavorisés, dans lesquels un quark UP se transforment en un Pi moins et un quark en bas se transforme en Pi Plus, devraient également se produire avec la même probabilité, bien qu'à des taux moins élevés que les processus préférés.
Lorsque les physiciens nucléaires utilisent des données expérimentales pour extraire des informations sur la fragmentation à l'aide de cadres mathématiques appelés fonctions de fragmentation, les hypothèses de la symétrie isospin leur permettent d'utiliser les mêmes fonctions pour les quarks et les quarks en bas. Cela réduit le nombre total de fonctions qu'ils doivent extraire.
« Les hypothèses que nous faisons en fonction des symétries facilitent l'extraction de ces fonctions et nos analyses plus simples », a déclaré Dutta. « Mais ils n'ont pas encore été testés quantitativement avec précision. »
Jusqu'à maintenant. Les chercheurs ont examiné l'énergie totale transportée par toutes les particules sortantes interagissant fortement. Aux hautes énergies, ils ont trouvé la symétrie détenue à la fois pour les processus de fragmentation favorisés et défavorisés. Cependant, ce n'était pas vrai à basse énergie, où ils ont constaté que la symétrie avait éclaté pour les processus de fragmentation défavorisés: les processus défavorisés ne se sont pas produits avec la même probabilité.
Cette violation de la symétrie laisse entendre que les physiciens ont plus à apprendre sur la fragmentation et comment l'appliquer à de futures expériences.
« Le fait que la symétrie semble être violée est vraiment intéressante et a des ramifications assez importantes sur la façon dont nous traitons d'autres expériences qui reposent sur ce processus », a déclaré Gaskell.
Fragmentation future
Ces résultats suggèrent que les expériences menées à des énergies plus élevées peuvent faire des hypothèses en toute sécurité liées à la symétrie isospin pendant l'analyse. Les expériences sous le seuil doivent cependant marcher plus prudemment et peuvent avoir besoin de faire des corrections supplémentaires.
« Certaines expériences prennent ces trucs de fragmentation comme don, puis ils l'utilisent pour extraire d'autres informations sur la structure 3D des protons et des neutrons ou des choses comme ça », a déclaré Gaskell. « Mais ce que nous avons montré, c'est que certaines de ces hypothèses peuvent ne pas être correctes, nous devons donc être très prudents dans l'interprétation des données de ces expériences ou une interprétation sans ambiguïté des données. »
Ces résultats aideront également les physiciens à en savoir plus sur un autre type de symétrie. Dans la forte interaction, la symétrie de charge suppose que la distribution des quarks UP dans le proton chargé positivement est la même que la distribution des quarks en duvet dans le neutron chargé négativement. Les chercheurs testeront cette symétrie en extrayant la distribution des quarks dans les protons et les neutrons de la même expérience, en utilisant les données recueillies sur la cible de Deuteron.
« Maintenant que nous avons vu que ces fonctions de fragmentation sont symétriques à des énergies élevées, nous pouvons associer toutes les différences dans ces distributions à une rupture de symétrie de charge », a déclaré Dutta.
