La physique du milieu du XXe siècle a découvert la résonance du proton, mais la compréhension de la structure 3D du proton en résonance reste limitée. Des expériences récentes au Jefferson Lab ont exploré ces structures, fournissant ainsi un aperçu de l’univers primitif et des particules fondamentales telles que les nucléons, qui comprennent les quarks et les gluons.
De nouvelles recherches mettent en lumière la structure 3D des résonances nucléiques.
Au milieu du XXe siècle, les scientifiques ont découvert que les protons avaient la capacité de résonner, à l’instar des vibrations d’une cloche. Au cours des trente années qui ont suivi, les progrès ont permis d’obtenir des images 3D du proton et de mieux comprendre sa structure dans son état fondamental. Cependant, les connaissances sur la structure 3D d’un proton en résonance restent limitées.
Une expérience récente menée à l’installation d’accélérateur national Thomas Jefferson du ministère américain de l’Énergie a approfondi les structures tridimensionnelles des résonances des protons et des neutrons. Cette recherche fournit une pièce de puzzle supplémentaire au vaste tableau de l’univers chaotique et naissant qui existait juste après le Big Bang.
L’étude des propriétés et comportements fondamentaux des nucléons offre des informations essentielles sur les éléments constitutifs de base de la matière. Les nucléons sont les protons et les neutrons qui composent les noyaux des atomes. Chaque nucléon est constitué de trois quarks étroitement liés par des gluons par une interaction forte – la force la plus puissante de la nature.
L’état le plus stable et le plus faible d’un nucléon est appelé son état fondamental. Mais lorsqu’un nucléon est excité de force dans un état d’énergie plus élevée, ses quarks tournent et vibrent les uns contre les autres, présentant ce que l’on appelle une résonance nucléon.
Un groupe de physiciens de la Justus Liebig Universitat (JLU) Giessen en Allemagne et de l’Université du Connecticut a dirigé l’effort de collaboration CLAS pour mener une expérience explorant ces résonances nucléoniques. L’expérience a été réalisée au sein de l’installation d’accélérateur à faisceau d’électrons continu (CEBAF) de classe mondiale du Jefferson Lab. Le CEBAF est un établissement utilisateur du DOE Office of Science qui soutient les recherches de plus de 1 800 physiciens nucléaires dans le monde. Les résultats de la recherche ont été récemment publiés dans la prestigieuse revue à comité de lecture Lettres d’examen physique.
Le responsable de l’analyse, Stefan Diehl, a déclaré que les travaux de l’équipe mettaient en lumière les propriétés fondamentales des résonances nucléiques. Diehl, est chercheur postdoctoral et chef de projet au 2e Institut de physique de JLU Giessen et professeur-chercheur à l’Université du Connecticut. Il a déclaré que ces travaux inspirent également de nouvelles recherches sur la structure 3D du proton résonnant et le processus d’excitation.
« C’est la première fois que nous disposons de mesures, d’observations sensibles aux caractéristiques 3D d’un état aussi excité », a déclaré Diehl. « En principe, ce n’est qu’un début et cette mesure ouvre un nouveau champ de recherche. »
Le mystère de la formation de la matière
L’expérience a été menée dans le hall expérimental B en 2018-2019 à l’aide du détecteur CLAS12 de Jefferson Lab. Un faisceau d’électrons à haute énergie a été envoyé dans une chambre remplie d’hydrogène gazeux refroidi. Les électrons ont impacté les protons de la cible pour exciter les quarks à l’intérieur et produire une résonance nucléique en combinaison avec un état quark-antiquark – ce qu’on appelle le méson.
Les excitations sont éphémères, mais elles laissent derrière elles des preuves de leur existence sous la forme de nouvelles particules fabriquées à partir de l’énergie des particules excitées au fur et à mesure qu’elle se dissipe. Ces nouvelles particules vivent suffisamment longtemps pour que le détecteur les capte, afin que l’équipe puisse reconstruire la résonance.
Diehl et d’autres ont récemment discuté de leurs résultats dans le cadre d’un atelier commun « Exploration de la structure de résonance avec les GPD de transition » à Trente, en Italie. La recherche a déjà inspiré deux groupes théoriques à publier des articles sur ces travaux.
L’équipe prévoit également d’autres expériences au Jefferson Lab en utilisant différentes cibles et polarisations. En diffusant les électrons des protons polarisés, ils peuvent accéder à différentes caractéristiques du processus de diffusion. De plus, l’étude de processus similaires, comme la production d’une résonance en combinaison avec une énergie photonpeut fournir d’autres informations importantes.
Grâce à de telles expériences, a déclaré Diehl, les physiciens peuvent découvrir les propriétés du cosmos primitif après le Big Bang.
« Au début, le cosmos primitif n’avait que quelques plasma composé de quarks et de gluons, qui tournaient tous sur eux-mêmes en raison de la grande énergie », a déclaré Diehl. «Puis, à un moment donné, la matière a commencé à se former, et les premières choses qui se sont formées ont été les états excités des nucléons. Lorsque l’univers s’est encore étendu, il s’est refroidi et les nucléons de l’état fondamental se sont manifestés.
« Grâce à ces études, nous pouvons en apprendre davantage sur les caractéristiques de ces résonances. Et cela nous apprendra comment la matière s’est formée dans l’univers et pourquoi l’univers existe sous sa forme actuelle.
Né à Lich, en Allemagne, Diehl a étudié la physique comme moyen de comprendre les phénomènes naturels et la nature du monde. Il a obtenu une licence, une maîtrise et un doctorat à la JLU Giessen. Il est membre des collaborations CLAS, PANDA, ePIC et COMPASS et est co-auteur de plus de 70 publications évaluées par des pairs.
L’étude a été financée par le ministère américain de l’Énergie.
