Les physiciens du MIT ont maintenant une réponse à une question de physique nucléaire qui a intrigué les scientifiques pendant trois décennies : Pourquoi les quarks se déplacent-ils plus lentement à l’intérieur des gros atomes ?

Les quarks, ainsi que les gluons, sont les blocs de construction fondamentaux de l’univers. Ces particules subatomiques – les plus petites particules que nous connaissons – sont bien plus petites, et fonctionnent à des niveaux d’énergie bien plus élevés, que les protons et les neutrons dans lesquels elles se trouvent. Les physiciens ont donc supposé qu’un quark devait être allègrement indifférent aux caractéristiques des protons et des neutrons, et de l’atome global, dans lequel il réside.

Mais en 1983, des physiciens du CERN, dans le cadre de la collaboration européenne sur les muons (EMC), ont observé pour la première fois ce qui allait devenir l’effet EMC : dans le noyau d’un atome de fer contenant de nombreux protons et neutrons, les quarks se déplacent nettement plus lentement que les quarks dans le deutérium, qui contient un seul proton et un seul neutron. Depuis, les physiciens ont trouvé davantage de preuves que plus le noyau d’un atome est grand, plus les quarks qui s’y déplacent sont lents.

« Cela fait 35 ans que les gens se creusent la tête pour essayer d’expliquer pourquoi cet effet se produit », explique Or Hen, professeur adjoint de physique au MIT.

Maintenant, Hen, Barak Schmookler et Axel Schmidt, étudiant diplômé et postdoc au laboratoire de science nucléaire du MIT, ont dirigé une équipe internationale de physiciens pour identifier une explication de l’effet CEM. Ils ont découvert que la vitesse d’un quark dépend du nombre de protons et de neutrons formant des paires corrélées à courte distance dans le noyau d’un atome. Plus il y a de telles paires dans un noyau, plus les quarks se déplacent lentement à l’intérieur des protons et des neutrons de l’atome.

Schmidt dit que les protons et les neutrons d’un atome peuvent s’apparier constamment, mais seulement momentanément, avant de se séparer et de partir chacun de leur côté. Pendant cette brève interaction à haute énergie, il pense que les quarks dans leurs particules respectives peuvent avoir un « espace plus grand pour jouer »

« En mécanique quantique, chaque fois que vous augmentez le volume sur lequel un objet est confiné, il ralentit », dit Schmidt. « Si vous resserrez l’espace, il accélère. C’est un fait connu. »

Comme les atomes avec des noyaux plus grands ont intrinsèquement plus de protons et de neutrons, ils sont également plus susceptibles d’avoir un nombre plus élevé de paires proton-neutron, également connues sous le nom de paires « corrélées à courte portée » ou SRC. Par conséquent, l’équipe conclut que plus l’atome est grand, plus il est susceptible de contenir de paires, ce qui se traduit par des quarks se déplaçant plus lentement dans cet atome particulier.

Schmookler, Schmidt et Hen en tant que membres de la collaboration CLAS au Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ont publié leurs résultats aujourd’hui dans la revue Nature.

D’une suggestion à une image complète

En 2011, Hen et ses collaborateurs, qui ont concentré une grande partie de leurs recherches sur les paires SRC, se sont demandé si ce couplage éphémère avait quelque chose à voir avec l’effet EMC et la vitesse des quarks dans les noyaux atomiques.

Ils ont rassemblé des données provenant de diverses expériences d’accélérateurs de particules, dont certaines mesuraient le comportement des quarks dans certains noyaux atomiques, tandis que d’autres détectaient les paires SRC dans d’autres noyaux. Lorsqu’ils ont reporté les données sur un graphique, une tendance claire est apparue : Plus le noyau d’un atome était grand, plus il y avait de paires SRC et plus les quarks mesurés étaient lents. Le plus gros noyau des données – l’or – contenait des quarks qui se déplaçaient 20 % plus lentement que ceux du plus petit noyau mesuré, l’hélium.

« C’était la première fois que ce lien était suggéré concrètement », dit Hen. « Mais nous devions faire une étude plus détaillée pour construire une image physique complète. »

C’est pourquoi lui et ses collègues ont analysé les données d’une expérience qui a comparé des atomes de différentes tailles et a permis de mesurer à la fois la vitesse des quarks et le nombre de paires SRC dans le noyau de chaque atome. L’expérience a été réalisée au détecteur CEBAF Large Acceptance Spectrometer, ou CLAS, un énorme accélérateur de particules sphérique à quatre étages au Thomas Jefferson National Laboratory à Newport News, en Virginie.

A l’intérieur du détecteur, Hen décrit la configuration de la cible de l’équipe comme une « sorte de chose à la Frankenstein », avec des bras mécaniques, chacun tenant une feuille mince faite d’un matériau différent, comme le carbone, l’aluminium, le fer et le plomb, chacun composé d’atomes contenant respectivement 12, 27, 67 et 208 protons et neutrons. Une cuve adjacente contenait du deutérium liquide, avec des atomes contenant le plus petit nombre de protons et de neutrons du groupe.

Lorsqu’ils voulaient étudier une feuille particulière, ils envoyaient une commande au bras concerné pour abaisser la feuille qui les intéressait, en suivant la cellule de deutérium et directement dans la trajectoire du faisceau d’électrons du détecteur. Ce faisceau projette des électrons sur la cellule de deutérium et la feuille solide, à raison de plusieurs milliards d’électrons par seconde. Si la grande majorité des électrons manquent leurs cibles, certains touchent les protons ou les neutrons à l’intérieur du noyau, ou les quarks, beaucoup plus petits, eux-mêmes. Lorsqu’ils frappent, les électrons se dispersent largement, et les angles et les énergies auxquels ils se dispersent varient en fonction de ce qu’ils frappent – des informations que le détecteur capte.

Accordement des électrons

L’expérience a duré plusieurs mois et a fini par amasser des milliards d’interactions entre électrons et quarks. Les chercheurs ont calculé la vitesse du quark dans chaque interaction, sur la base de l’énergie de l’électron après sa diffusion, puis ont comparé la vitesse moyenne du quark entre les différents atomes.

En examinant des angles de diffusion beaucoup plus petits, correspondant à des transferts de momentum d’une longueur d’onde différente, l’équipe a pu faire un « zoom arrière » pour que les électrons se dispersent sur les protons et les neutrons plus grands, plutôt que sur les quarks. Les paires SRC sont généralement extrêmement énergétiques et diffuseraient donc des électrons à des énergies plus élevées que les protons et les neutrons non appariés, une distinction que les chercheurs ont utilisée pour détecter les paires SRC dans chaque matériau qu’ils ont étudié.

« Nous voyons que ces paires à fort momentum sont la raison de ces quarks qui se déplacent lentement », explique Hen.

En particulier, ils ont constaté que les quarks dans les feuilles avec des noyaux atomiques plus grands (et plus de paires proton-neutron) se déplaçaient au maximum 20 % plus lentement que le deutérium, le matériau avec le moins de paires.

« Ces paires de protons et de neutrons ont cette folle interaction à haute énergie, très rapidement, puis se dissipent », dit Schmidt. « Pendant ce temps, l’interaction est beaucoup plus forte que la normale et les nucléons ont un chevauchement spatial important. Nous pensons donc que les quarks dans cet état ralentissent beaucoup. »

Leurs données montrent pour la première fois que le ralentissement de la vitesse d’un quark dépend du nombre de paires SRC dans un noyau atomique. Les quarks dans le plomb, par exemple, étaient beaucoup plus lents que ceux dans l’aluminium, qui eux-mêmes étaient plus lents que le fer, et ainsi de suite.

L’équipe conçoit maintenant une expérience dans laquelle elle espère détecter la vitesse des quarks, spécifiquement dans les paires SRC.

« Nous voulons isoler et mesurer les paires corrélées, et nous nous attendons à ce que cela produise cette même fonction universelle, en ce sens que la façon dont les quarks changent leur vitesse à l’intérieur des paires est la même dans le carbone et le plomb, et devrait être universelle à travers les noyaux », dit Schmidt.

En fin de compte, la nouvelle explication de l’équipe peut aider à éclairer des différences subtiles mais importantes dans le comportement des quarks, les blocs de construction les plus fondamentaux du monde visible. Les scientifiques ont une compréhension incomplète de la façon dont ces minuscules particules viennent construire les protons et les neutrons qui s’assemblent ensuite pour former les atomes individuels qui constituent toute la matière que nous voyons dans l’univers.

« Comprendre comment les quarks interagissent est vraiment l’essence de la compréhension de la matière visible dans l’univers », dit Hen. « Cet effet CEM, même s’il est de 10 à 20 %, est quelque chose de si fondamental que nous voulons le comprendre. »

Cette recherche a été financée, en partie, par le ministère américain de l’Énergie, et la National Science Foundation.

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