Une équipe de physiciens s'est lancée dans un voyage où peu d'autres sont allés: dans la colle qui lie les noyaux atomiques. La mesure qui en résulte, qui a été extraite des données expérimentales prises à l'installation de l'accélérateur national de Thomas Jefferson du ministère américain de l'Énergie, est la première du genre et aidera les physiciens à imaginer des particules appelées gluons.
L'article révélant les résultats est publié et présenté comme suggestion d'un éditeur dans Lettres d'examen physique.
Les gluons assurent la médiation de la force forte qui « colle » ensemble les quarks, un autre type de particule subatomique, pour former les protons et les neutrons situés au centre des atomes de matière ordinaire. Bien que les mesures précédentes aient permis aux chercheurs de se renseigner sur la distribution des gluons dans les protons solitaires ou les neutrons, ils savent moins sur le comportement des gluons à l'intérieur des protons ou des neutrons liés dans les noyaux.
« Ce résultat représente un grand pas en avant pour savoir où se trouve ce champ de Gluon dans un proton », a déclaré Axel Schmidt, professeur adjoint de physique à l'Université George Washington et chercheur principal de ce travail. « Nous voyons des preuves que cela pourrait changer lorsqu'un proton ou un neutron est à l'intérieur d'un noyau. »
Une charmante particule de la publicité
Pendant plus de quatre décennies, la communauté de la physique sait que les quarks, les éléments constitutifs de notre univers visible, se déplacent plus lentement lorsqu'ils composent un proton ou un neutron qui se trouve à l'intérieur d'un noyau atomique par rapport à un proton ou à un neutron solitaire. Mais les physiciens n'ont pas été en mesure de comprendre pourquoi ce phénomène, connu sous le nom d'effet EMC, se produit.
Pour en savoir plus à ce sujet, et la force forte en général, les physiciens doivent sonder les gluons de la façon dont ils ont sondé les quarks. Cependant, la mesure de la distribution des glluons, qui sont neutres, est plus difficile que la mesure de la distribution des quarks chargés électriquement.
« L'étude de ces particules neutres qui n'interagissent que par la force forte est beaucoup plus difficile », a déclaré Lucas Ehinger, un étudiant diplômé du Massachusetts Institute of Technology qui a travaillé sur l'analyse qui a conduit à cette mesure. « Nous en savons beaucoup moins à leur sujet et leur dynamique dans les noyaux, y compris s'il y a un type d'effet de CEM potentiel avec eux. »
Ce travail fait un pas vers le changement de cela. Et il le fait en mesurant complètement une particule différente: j / ψ (ou j / psi).
L'expérience a été réalisée à l'installation d'accélérateur de faisceau d'électrons continu de Jefferson Lab, une installation d'utilisateurs du DOE qui soutient la recherche de plus de 1 650 physiciens nucléaires dans le monde. Les faisceaux d'électrons de Cebaf peuvent être utilisés pour produire également des faisceaux de photons à haute énergie pour des expériences qui explorent les noyaux atomiques.
Le tir d'un faisceau de photons au niveau des protons et des neutrons peut produire des particules J / ψ, qui se décomposent rapidement en électron et positron. La détection de cette paire montre combien de j / ψ ont été produits au cours d'une expérience. J / ψ est fait de quarks de charme. Parce que les quarks de charme, l'une des six saveurs de quarks, ne font pas partie du proton ou des neutrons, les physiciens savent que J / ψ est né de l'interaction entre le photon et le glluon, qui peut produire des particules contenant n'importe quelle saveur de Quark.
La production de J / ψ est un outil bien connu pour étudier les distributions de gluon. Des expériences précédentes au Jefferson Lab ont utilisé un faisceau de photons pour mesurer la production J / ψ d'un proton solitaire dans le détecteur Gluex. Pour produire J / ψ, qui est une particule lourde, l'énergie du faisceau de photons devait être très élevée – au moins 8,2 GeV.
Dans ce travail, l'équipe expérimentale a également utilisé un faisceau de photons pour produire J / ψ. Cependant, ils ont pu le faire en utilisant des photons en dessous du seuil d'énergie GEV 8.2 et mesurer les résultats du détecteur GLUEX.
Cela était possible car ils utilisaient différents noyaux comme cibles: le deutérium, l'hélium et le carbone. Contrairement à une cible de proton solitaire ou de neutrons, les protons et les neutrons à l'intérieur de ces noyaux se déplacent. Leur énergie cinétique se combine avec l'énergie du photon entrant en dessous du seuil et, ensemble, ils offrent suffisamment d'énergie pour créer J / ψ.
En conséquence, l'équipe a été la première à mesurer la photoproduction J / ψ sous le seuil d'énergie photonique requise pour un proton stationnaire. Parce que cette mesure a été retirée des noyaux, il images la colle maintenant des protons et des neutrons liés à l'intérieur du noyau.
« Nous sommes dans cette frontière de la colle nucléaire. Essentiellement, rien n'est connu, donc tout ce que vous mesurez est informatif », a déclaré ou Hen, professeur de physique au MIT et chercheur principal de ce travail. « C'est super excitant et super difficile à la fois. »
Cartotant une carte pour les mesures futures
L'une des raisons pour lesquelles cette mesure Pathfinder était difficile est qu'il n'y avait pas de mesures précédentes pour la guider. Se lançant dans l'analyse, l'équipe n'était même pas sûre qu'elle était possible. L'expérience qui a collecté ces données n'était pas censée mesurer à l'origine la production sous-seuil J / ψ; C'était plus un module complémentaire plein d'espoir.
Heureusement, les chercheurs ont eu Jackson Pybus dans leur équipe. Pybus a mené la majeure partie de l'analyse alors qu'il était étudiant diplômé au MIT. Il a appelé sa formation pendant un été à l'étranger en Allemagne. Là, il avait travaillé avec un théoricien pour en savoir plus sur la dynamique de la lumière.
Cette approche s'applique généralement aux théories du champ quantique, qui décrivent le comportement des particules relativistes (les particules se déplaçant près de la vitesse de la lumière). Dans cette recherche, il est très utile pour décrire des systèmes de particules comme les noyaux. L'application des astuces de cette méthode théorique a permis à Pybus et à l'équipe d'extraire cette mesure.
« Ce travail est à la fois unique en termes de la physique qu'il nous enseigne, mais aussi en termes de techniques qu'un étudiant diplômé a mis en œuvre pour obtenir cette physique », a déclaré Hen. « Aucun de nous, à l'exception de Jackson, n'aurait pu faire ce travail. Il mérite beaucoup de crédit. »
Lorsque les expérimentateurs ont comparé leur mesure sous-seuil à des prédictions théoriques, ils ont vu que plus de j / ψ étaient produits que la théorie prévue. Cette disparité laisse entendre que la colle nucléaire se comporte différemment de la colle dans les protons solitaires ou les neutrons, mais plus de données sont nécessaires pour déterminer exactement comment. Heureusement, ces résultats serviront de carte pour guider les mesures futures similaires.
« Maintenant que nous savons que nous pouvons faire cette mesure, nous aimerions vraiment optimiser une expérience plus longue pour mesurer cela en détail et épingler quantitativement certains de ces effets potentiellement exotiques, où nous n'avons vraiment qu'un premier aperçu en ce moment », a déclaré Pybus, qui est maintenant un camarade postdoctoral du Los Alamos National Laboratory.
Les données utilisées dans ce travail – en hausse de seulement des dizaines de mesures J / ψ – ont été collectées au cours d'une course relativement courte de six semaines en 2021. L'équipe propose une expérience dédiée à l'étude de la colle nucléaire, en utilisant à nouveau le faisceau de photons de Cebaf avec l'appareil Gluex.
« Imaginez ce que nous pourrions faire si nous avions 100 jours de temps d'accélérateur dédié pour vraiment étudier cette réaction », a déclaré Hen. « Nous faisons maintenant le travail très dur de cartographier la frontière de la forte force nucléaire dans l'espoir qu'un jour – ne sera peut-être pas dans notre vie – les connaissances améliorées de l'humanité permettra une meilleure technologie et des sources d'énergie plus durables. »
Ces résultats pourraient également diriger des expériences de gluon au prochain collisionneur d'électron-ion (EIC), qui prévoit d'étudier plus avant les gluons.
« Nous aimerions apprendre ce problème et avoir une bonne poignée de ce qui se passe et où chercher avant que cette machine ne s'allume », a déclaré Schmidt.
