Les physiciens nucléaires ont découvert la profonde influence de la gravité sur l’échelle quantique, révélant pour la première fois la répartition de la force intense au sein des protons. Cette recherche révolutionnaire, combinant des connaissances théoriques historiques avec des données expérimentales modernes, offre une compréhension sans précédent de la dynamique interne du proton et ouvre la voie à de futures découvertes en science nucléaire.
Les physiciens nucléaires du Jefferson Lab ont cartographié la répartition de la force forte au sein du proton, en utilisant un cadre lié à la gravité, ouvrant ainsi une nouvelle voie d’exploration.
L’influence de la gravité est incontestablement évidente dans tout l’univers observable. Ses effets sont observés dans les orbites synchronisées des lunes autour des planètes, dans les comètes qui dévient de leur trajectoire en raison de l’attraction gravitationnelle des grandes étoiles et dans les spirales majestueuses d’énormes galaxies. Ces magnifiques phénomènes mettent en évidence le rôle de la gravité aux plus grandes échelles de la matière. Pendant ce temps, les physiciens nucléaires découvrent les contributions significatives de la gravité aux plus petites échelles de la matière.
De nouvelles recherches menées par des physiciens nucléaires de l’accélérateur national Thomas Jefferson du ministère américain de l’Énergie utilisent une méthode qui relie les théories de la gravitation aux interactions entre les plus petites particules de matière pour révéler de nouveaux détails à cette échelle plus petite. La recherche a révélé, pour la première fois, un instantané de la répartition de la force forte à l’intérieur du proton. Cet instantané détaille la contrainte de cisaillement que la force peut exercer sur les particules de quark qui composent le proton. Le résultat a été récemment publié dans Avis sur la physique moderne.
Aperçu de la structure des protons
Selon l’auteur principal de l’étude, Volker Burkert, scientifique principal du Jefferson Lab, la mesure révèle un aperçu de l’environnement dans lequel évoluent les éléments constitutifs du proton. Les protons sont constitués de trois quarks liés ensemble par une force forte.
« À son apogée, cela représente plus de quatre tonnes de force qu’il faudrait appliquer à un quark pour l’extraire du proton », a expliqué Burkert. « La nature, bien sûr, ne nous permet pas de séparer un seul quark du proton en raison d’une propriété des quarks appelée « couleur ». Il existe trois couleurs qui mélangent les quarks dans le proton pour le rendre incolore de l’extérieur, condition nécessaire à son existence dans l’espace. Essayer d’extraire un quark coloré du proton produira une paire quark/anti-quark incolore, un méson, utilisant l’énergie que vous avez mise pour tenter de séparer le quark, laissant derrière lui un proton (ou neutron) incolore. Ainsi, les 4 tonnes sont une illustration de la force intrinsèque du proton.
Le résultat n’est que la deuxième des propriétés mécaniques du proton à être mesurée. Les propriétés mécaniques du proton incluent sa pression interne (mesurée en 2018), sa répartition de masse (taille physique), son moment cinétique et sa contrainte de cisaillement (illustré ici). Le résultat a été rendu possible grâce à une prédiction vieille d’un demi-siècle et à des données vieilles de deux décennies.
Au milieu des années 1960, il a été émis l’hypothèse que si les physiciens nucléaires pouvaient observer comment la gravité interagit avec les particules subatomiques, telles que le proton, de telles expériences pourraient révéler directement les propriétés mécaniques du proton.
« Mais à cette époque, il n’y avait aucun moyen. Si vous comparez la gravité avec la force électromagnétique, par exemple, il y a 39 ordres de grandeur de différence. C’est donc complètement désespéré, n’est-ce pas ? » a expliqué Latifa Elouadhriri, scientifique du Jefferson Lab et co-auteur de l’étude.
Fondements théoriques et avancées expérimentales
Les données vieilles de plusieurs décennies provenaient d’expériences menées avec l’installation d’accélérateur de faisceaux d’électrons continus (CEBAF) du Jefferson Lab, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE. Une expérience CEBAF typique impliquerait qu’un électron énergétique interagisse avec une autre particule en échangeant un paquet d’énergie et une unité de moment cinétique appelé espace virtuel. photon avec la particule. L’énergie de l’électron dicte les particules avec lesquelles il interagit de cette manière et la manière dont elles réagissent.
Dans l’expérience, une force bien supérieure aux quatre tonnes nécessaires pour extraire une paire quark/antiquark a été appliquée au proton par le faisceau d’électrons hautement énergétique interagissant avec le proton dans une cible d’hydrogène liquéfié.
«Nous avons développé le programme pour étudier la diffusion Compton profondément virtuelle. C’est là qu’un électron échange un photon virtuel avec le proton. Et à l’état final, le proton est resté le même mais a reculé, et vous obtenez un véritable photon de très haute énergie produit, plus l’électron diffusé », a déclaré Elouadhriri. « Au moment où nous avons collecté les données, nous ne savions pas qu’au-delà de l’imagerie tridimensionnelle que nous souhaitions utiliser avec ces données, nous collections également les données nécessaires pour accéder aux propriétés mécaniques du proton. »
Il s’avère que ce processus spécifique – la diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) – pourrait être lié à la manière dont la gravité interagit avec la matière. La version générale de cette connexion a été énoncée dans le manuel de 1973 sur la théorie de la relativité générale d’Einstein intitulé « Gravitation » par Charles W. Misner, Kip S. Thorne et John Archibald Wheeler.
Dans ce document, ils écrivent : « Tout champ de spin 2 sans masse donnerait naissance à une force impossible à distinguer de la gravitation, car un champ de spin 2 sans masse se couplerait au tenseur contrainte-énergie de la même manière que les interactions gravitationnelles. .»
Trois décennies plus tard, le théoricien Maxim Polyakov a poursuivi cette idée en établissant les fondements théoriques qui relient le processus DVCS et l’interaction gravitationnelle.
« Cette avancée théorique a établi la relation entre la mesure de la diffusion Compton profondément virtuelle et le facteur de forme gravitationnel. Et nous avons pu l’utiliser pour la première fois et extraire la pression que nous avions exercée dans le Nature papier en 2018, et maintenant la force normale et la force de cisaillement », a expliqué Burkert.
Une description plus détaillée des liens entre le processus DVCS et l’interaction gravitationnelle peut être trouvée dans cet article décrivant le premier résultat obtenu de cette recherche.
Orientations futures et avancées théoriques
Les chercheurs affirment que leur prochaine étape consistera à extraire les informations dont ils ont besoin des données DVCS existantes pour permettre la première détermination de la taille mécanique du proton. Ils espèrent également tirer parti d’expériences plus récentes, aux statistiques plus élevées et aux énergies plus élevées, qui poursuivent les recherches DVCS sur le proton.
Entre-temps, les co-auteurs de l’étude ont été étonnés par la pléthore de nouveaux efforts théoriques, détaillés dans des centaines de publications théoriques, qui ont commencé à exploiter cette voie récemment découverte pour explorer les propriétés mécaniques du proton.
« Et aussi, maintenant que nous sommes dans cette nouvelle ère de découvertes avec le Plan à long terme 2023 pour la science nucléaire publié récemment. Ce sera un pilier majeur de l’orientation de la science avec de nouvelles installations et le développement de nouveaux détecteurs. Nous sommes impatients de voir davantage de ce qui peut être fait », a déclaré Burkert.
Elouadhriri est d’accord.
« Et à mon avis, ce n’est que le début de quelque chose de bien plus grand à venir. Cela a déjà changé notre façon de penser la structure du proton », a-t-elle déclaré.
« Maintenant, nous pouvons exprimer la structure des particules subnucléaires en termes de forces, de pression et de tailles physiques auxquelles les non-physiciens peuvent également s’identifier », a ajouté Burkert.
L’étude a été financée par le Département américain de l’énergie, la National Science Foundation, Carl G. et Shirley Sontheimer Research Fund.
