Une part de mystère de la physique des particules enfin élucidée

L’une des énigmes actuelles de la physique des particules est la diminution de la dynamique des quarks au sein de grands noyaux. Une équipe de physiciens de la Collaboration CLAS (d’après le CEBAF Large Acceptance Spectrometer) a récemment analysé les données recueillies lors d’expériences antérieures réalisées au laboratoire Jefferson, pour tenter de percer le mystère de la perte de quantité de mouvement des quarks à l’intérieur des nucléons formant de grands atomes.

Leur objectif était de trouver des preuves à l’appui de l’une des deux explications possibles, de la raison pour laquelle les unités fondamentales qui forment les protons et les neutrons — une famille de particules appelées quarks — ont une dynamique moindre à l’intérieur d’atomes plus grands.

Le phénomène a été observé pour la première fois par l’European Muon Collaboration au début des années 1980, qui a détecté une différence dans le comportement des quarks lorsqu’ils se lient dans de grands atomes comme le fer, par rapport à des atomes plus petits comme l’hydrogène.

Dans ce que l’on a appelé l’effet CEM, il est vite devenu évident que plus les atomes étaient gros, plus leurs quarks étaient lents. Une fois liés en tant que triplets pour former des protons ou des neutrons, il ne devrait pas y avoir de différence concernant la taille de la structure dans laquelle ils évoluent.

« Deux modèles principaux décrivent actuellement cet effet » explique Douglas Higinbotham, physicien nucléaire au Jefferson Lab. « Un modèle propose que tous les protons et les neutrons d’un noyau [et donc de leurs quarks] sont modifiés, et qu’ils le sont tous de la même manière ».

Une autre explication suggère que la réponse réside dans une sorte de relation à courte portée qui apparaît brièvement lorsque différents groupes de quarks entrent dans les limites de l’interaction. « Cela dit que beaucoup de protons et de neutrons se comportent comme s’ils étaient libres, alors que d’autres sont impliqués dans des relations à courte portée et sont fortement modifiés » déclare Higinbotham.

En analysant d’anciennes données sur la dispersion des électrons qui rebondissaient sur les protons et les neutrons à l’intérieur d’atomes de carbone, d’aluminium, de plomb et de fer, les chercheurs ont été en mesure de mettre au point une fonction universelle qui décrit l’effet CEM. Les détails de ce mécanisme ont été publiés dans la revue Nature.

Leur description repose sur la possibilité d’une brève relation à courte portée entre un neutron et un proton lorsqu’ils se touchent. « Nous avons maintenant cette fonction, où nous avons des paires corrélées neutron-proton, et nous pensons qu’elle peut décrire l’effet CEM » explique le physicien Barak Schmookler.

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Cela confirme le deuxième modèle selon lequel les quarks agissent différemment uniquement dans certaines circonstances, par exemple lorsque la bonne combinaison de protons et de neutrons interagit plus étroitement que d’habitude.  Dans ce cas-ci, lorsque la taille de la structure dans laquelle ils évoluent augmente, les quarks perdent de la quantité de mouvement.

« En mécanique quantique, à chaque fois que vous augmentez le volume d’un objet confiné, ce dernier ralentit » explique Axel Schmidt, étudiant postdoctoral au Laboratory for Nuclear Science du MIT. « Si vous réduisez l’espace, au contraire il accélère. C’est un fait connu ».

« Le modèle précédent suggérait que pour tous les protons et les neutrons, lorsqu’ils sont collés ensemble dans un noyau, leurs quarks commencent à ralentir » déclare Schmidt. « Et ce nouveau modèle suggère que la plupart des protons et des neutrons continuent comme si de rien n’était, et que ce sont les protons et les neutrons sélectionnés qui sont dans ces paires qui subissent réellement un changement concernant leurs quarks ».

Cette découverte ne suffit toutefois pas à solutionner définitivement le mystère. Des expériences ultérieures au Jefferson Lab fourniront des détails sur la manière dont les protons se déplacent dans les noyaux beaucoup moins encombrés, comme le deutérium et la configuration proton-neutron des atomes d’hydrogène.

Source : Nature