À l’intérieur d’un atome se trouvent trois types de particules : les électrons, les protons et les neutrons. Dans le domaine de la physique nucléaire, les protons et les électrons, qui déterminent la structure et les propriétés fondamentales des atomes, ont été les principaux acteurs d’innombrables expériences. Pourtant, dans la mécanique atomique, les neutrons ne jouent pas un rôle purement secondaire. Récemment, une expérience menée sur une décennie a permis de mieux comprendre leur structure interne. Selon les physiciens à son origine, cette avancée pourrait contribuer à résoudre la « crise du spin du nucléon ».
Les principaux composants des noyaux atomiques ont été identifiés il y a presque un siècle. Les électrons, particules de charge négative, gravitent autour du noyau à des vitesses pouvant atteindre une fraction significative de la vitesse de la lumière. Les protons, dotés d’une charge positive, sont environ 2 000 fois plus massifs que les électrons. Quant aux neutrons, sans charge électrique, ils cohabitent avec les protons au sein du noyau. Ensemble, ils forment les nucléons, constitués eux-mêmes de particules encore plus petites : les quarks et les gluons.
Les quarks se déclinent en six catégories, appelées « saveurs » : up, down, charm, strange, top et bottom. Un proton est composé de deux quarks up et d’un quark down, tandis qu’un neutron est formé de deux quarks down et d’un quark up. Les gluons, quant à eux, agissent comme des médiateurs, assurant la cohésion entre quarks au sein des nucléons.
Le mystère des quarks et des gluons
Bien que l’existence des quarks et des gluons soit connue, leurs mouvements et leur répartition au cœur des nucléons restent mal compris. Pour percer ces secrets, une série d’expériences menées à l’aide d’accélérateurs de particules a été réalisée ces dernières décennies. L’une d’elles, exploitant le Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), a consisté à bombarder des nucléons avec des électrons, observant leur diffusion à travers un phénomène appelé « diffusion Compton profondément virtuelle » (DVCS). Lors de cette interaction, le nucléon absorbe une partie de l’énergie de l’électron et émet un photon.
Grâce au détecteur CLAS12, utilisant un faisceau d’électrons d’une énergie de 12 GeV, les scientifiques ont pu analyser avec précision ces réactions. Cependant, les études se sont jusqu’ici concentrées sur les protons, les neutrons étant plus difficiles à détecter. « Dans la configuration standard, il n’était pas possible de détecter des neutrons sous ces angles », a déclaré dans un communiqué Silvia Niccolai, directrice de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS). Afin de surmonter cet obstacle, elle a proposé la conception d’un détecteur dédié, nommé Central Neutron Detector (« détecteur central de neutrons »).
Un détecteur sur mesure pour les neutrons
En 2011, avec le soutien de ses collègues du laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab), une unité mixte du CNRS, de l’Université Paris-Saclay et de l’Université Paris-Cité, et grâce à un financement de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3), Niccolai a lancé la construction du détecteur.
Vers une meilleure compréhension des GPD E
Quatre ans plus tard, en 2015, le détecteur central de neutrons était opérationnel. Entre 2019 et 2020, il a permis de collecter des données précieuses. Ces dernières ont montré que l’appareil couvrait efficacement tous les angles nécessaires à la détection des neutrons. Cependant, des zones mortes dans le détecteur ont entraîné des contaminations par des protons.
Pour remédier à ce problème, les chercheurs ont utilisé des algorithmes d’apprentissage automatique afin de distinguer les neutrons réels des signaux parasites. Cela leur a permis de réaliser les premières études de DVCS sur les neutrons. Ces mesures ont ensuite été intégrées à des modèles théoriques appelés distributions de partons généralisées (GPD), offrant une cartographie précise des quarks et gluons au sein des nucléons.
Une percée dans la compréhension du spin des nucléons
Grâce à cette avancée, l’équipe a pu accéder au GPD E, un paramètre clé pour comprendre la contribution des quarks au spin des nucléons. « Le GPD E est très important, car il peut nous donner des informations sur la structure de spin des nucléons », souligne Silvia Niccolai.
En comparant les résultats des expériences sur les protons et les neutrons, les chercheurs ont également isolé, saveur par saveur, les contributions des différents types de quarks. Ces travaux pourraient ainsi contribuer à résoudre la « crise du spin du nucléon » (désigne la découverte que les quarks ne contribuent qu’à une petite fraction du spin total des protons, remettant en question les modèles initiaux de leur structure interne) et approfondir notre compréhension de la dynamique interne des particules élémentaires.
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