Une facette clé de l’identité d’un proton peut être attribuée à la colle qui le maintient ensemble.
Une nouvelle étude suggère qu’une propriété appelée nombre de baryons – une caractéristique déterminante des protons et des particules associées – réside dans les particules gluantes à l’intérieur. Ces particules, appelées gluons, transportent les forces qui lient entre elles les plus petites particules de matière du proton.
Les scientifiques ont supposé que ces particules de matière, appelées quarks, portaient le numéro baryon. Mais certains physiciens ont avancé que les gluons pourraient être le siège du nombre de baryons, en particulier une structure de gluons en forme de Y qui se forme au centre d'un proton. Dans les collisions de noyaux atomiques s'entrechoquant à une vitesse proche de celle de la lumière, les types et les angles des particules projetées vers l'extérieur correspondaient mieux à l'image des gluons qu'à celle des quarks, rapportent les chercheurs de la collaboration STAR dans le rapport du 13 août. Science.
Les vies des quarks et des gluons sont profondément liées, il est donc difficile de distinguer les deux idées. « Pendant longtemps, il semblait que nous ne pouvions pas faire la différence », explique le physicien Spencer Klein du Lawrence Berkeley National Lab en Californie, qui n'a pas participé à la recherche. « Ce travail, pour la première fois, montre vraiment que nous le pouvons. »
Les protons et les neutrons appartiennent à une classe de particules appelées baryons, composées de trois quarks principaux et de gluons. (De plus, des paires de quarks et d'antiquarks de courte durée voltigent constamment à travers les particules.) Les baryons ont un nombre de baryons de 1. Les antibaryons, tels que les antiprotons, ont un nombre de baryons de -1. La somme totale de cette propriété de la mécanique quantique est conservée dans toutes les réactions observées par les scientifiques. Cela signifie que vous ne pouvez pas détruire un baryon sans en créer un autre (ou détruire un antibaryon). Et cela explique pourquoi les protons ne se désintègrent pas et les atomes peuvent persister indéfiniment.
Pour obtenir un nombre de baryon de 1, l'opinion de longue date était que chacun des trois quarks d'un proton avait un nombre de baryon de 1/3. Mais ce qui prête à confusion, c'est que si vous séparez l'un des trois quarks, vous n'obtenez pas le tiers du nombre de baryon. Au lieu de cela, ce quark se combine avec un antiquark pour créer une particule appelée méson, avec un baryon numéro 0, et un nouveau quark remplace l'ancien quark dans le baryon d'origine. Une autre idée est que le baryon numéro 1 réside dans une structure en forme de Y appelée jonction baryonique, qui relie les trois quarks.
La distinction peut paraître subtile. « Mais il y a des conséquences tangibles », explique Chun Yuen Tsang, qui a travaillé sur l'étude à la Kent State University dans l'Ohio et qui travaille maintenant au Argonne National Laboratory à Lemont, dans l'Illinois. « La manière dont les particules sont émises lors d'une collision est différente selon le modèle que vous utilisez. Ce n'est donc pas seulement une question de sémantique. »
Dans les explosions de noyaux atomiques créées par le collisionneur d'ions lourds relativistes du laboratoire national de Brookhaven à Upton, dans l'État de New York, certaines particules continuent dans la direction d'origine du faisceau, mais d'autres sont arrêtées dans leur élan et projetées perpendiculairement au faisceau. Comparés à la jonction des gluons, les quarks transportent une plus grande fraction de l'impulsion d'un proton, ce qui les rend plus difficiles à arrêter. Si l'image des quarks est correcte, le nombre de baryons émis (moins le nombre d'antibaryons émis) sera plus grand vers l'avant. Mais si la jonction porte le nombre de baryon, ce nombre doit être augmenté dans la direction perpendiculaire au faisceau. C’est ce que les chercheurs ont découvert dans plusieurs types de collisions.
Les preuves « suggèrent fortement que l’image de la jonction est favorisée », déclare le physicien théoricien Chun Shen de la Wayne State University à Detroit, qui n’a pas participé à la recherche. Mais « ce n’est pas encore une preuve irréfutable ». Pour consolider davantage leurs arguments, dit-il, les physiciens théoriciens doivent améliorer leurs prédictions afin de permettre une meilleure comparaison avec les données expérimentales. De nouvelles informations pourraient également provenir du futur collisionneur électron-ion, prévu pour remplacer le collisionneur d'ions lourds relativistes, qui a fermé ses portes en février.
Mais tout le monde ne croit pas que cette distinction soit aussi significative. « Les deux images peuvent être compatibles l'une avec l'autre et non contradictoires », explique le physicien théoricien Zi-Wei Lin de l'Université de Caroline de l'Est à Greenville, en Caroline du Nord. Cela est dû au fait que la jonction n'existe pas indépendamment des quarks.
Pourtant, en ce qui concerne le proton, les gluons ont l’habitude de frapper au-dessus de leur poids. Il a été démontré qu’ils fournissent une grande partie de la masse d’un proton, ainsi que du spin, une autre propriété quantique de la particule. Le nombre de baryons pourrait suivre cette tendance.