AUne nouvelle mesure du CERN remet en question les modèles conventionnels du comportement des gluons au sein des noyaux atomiques
par Brendan M. Lynch, Université du Kansas
Édité par Gaby Clark, révisé par Robert Egan
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L'expérience ALICE auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Crédit : CERN
Un physicien de l'Université du Kansas a joué un rôle clé dans une étude du CERN démontrant qu'il est désormais possible de distinguer expérimentalement deux explications concurrentes concernant le comportement des gluons à l'intérieur des noyaux atomiques.
Ces travaux de recherche, menés dans le cadre de l'expérience ALICE auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN et publiés dans la revue *Physical Review Letters*, présentent la première mesure multidimensionnelle de la production photonucléaire incohérente de particules J/ψ (prononcé « JAY-sigh ») en fonction à la fois de l'énergie d'interaction et du transfert d'impulsion. Cette mesure offre aux scientifiques une vision inédite et précise de la manière dont les gluons — les particules qui assurent la cohésion des quarks — sont organisés au sein des noyaux atomiques à haute énergie.
« Bien que les quarks soient souvent décrits comme les briques élémentaires de la matière, la quasi-totalité de la masse de l'univers visible — des atomes qui composent nos corps à la matière au cœur des étoiles — provient en réalité de l'énergie véhiculée par les gluons et de l'interaction forte qui lie les quarks entre eux », explique le physicien nucléaire Daniel Tapia Takaki, professeur de physique et d'astronomie à l'Université du Kansas (KU) et membre de la collaboration ALICE. « Comprendre le comportement des gluons à l'intérieur des noyaux est donc essentiel pour comprendre comment la matière elle-même acquiert sa masse et sa structure. »
M. Takaki a joué un rôle moteur dans cette recherche, en étroite collaboration avec des chercheurs de l'Université technique tchèque de Prague, établissement avec lequel l'Université du Kansas entretient un partenariat institutionnel incluant des échanges d'étudiants et de chercheurs.
Utiliser le J/ψ comme sonde
Pour étudier les fluctuations des gluons au sein des noyaux avec une résolution spatiale supérieure à ce qui était possible auparavant, l'équipe a eu recours à une technique expérimentale appelée production photonucléaire incohérente de J/ψ.
« Les mesures ont été effectuées à partir de données recueillies durant la période d'exploitation n° 2 (Run 2) du Grand collisionneur de hadrons, au cours de laquelle des noyaux de plomb se déplaçant à grande vitesse passent à proximité les uns des autres sans entrer en collision directe », précise M. Takaki. « Lors de ces interactions, les champs électromagnétiques intenses entourant les noyaux se comportent comme des faisceaux de photons de haute énergie. Lorsqu'un de ces photons frappe un autre noyau, il peut engendrer brièvement une particule appelée J/ψ ; sa production constitue une sonde sensible permettant d'étudier la structure sous-jacente des gluons. » Contrairement à d'autres mesures qui font une moyenne sur l'ensemble du noyau, la production incohérente de J/ψ est sensible aux fluctuations locales de la densité de gluons, ce qui permet aux chercheurs d'explorer des structures plus petites qu'un proton. Ces champs de gluons intenses, présents au sein de chaque noyau atomique, constituent la quasi-totalité de la matière visible de l'univers. Pourtant, leur comportement collectif demeure l'un des plus grands défis de la physique moderne.
« Nos expériences utilisant la production incohérente s'apparentent au passage d'une image floue à l'observation au microscope haute résolution », a déclaré Takaki. « Ce processus nous permet de voir comment les gluons fluctuent et s'organisent à l'intérieur des noyaux. En faisant varier le transfert d'impulsion, notre expérience modifie en quelque sorte la mise au point de notre microscope. À des résolutions de 0,6, 0,3 et 0,2 femtomètre, l'expérience ALICE a progressivement sondé des régions de plus en plus petites au sein du noyau. La résolution la plus fine correspond à des structures ne représentant qu'environ un quart de la taille d'un proton. »
Selon Takaki, si un noyau avait la taille d'un stade de football, la mesure à plus haute résolution réalisée par la collaboration ALICE permettrait de distinguer des détails de quelques mètres seulement sur le terrain.
« À ces échelles extraordinaires, nous observons des signes indiquant que les gluons commencent à se comporter de manière collective, un phénomène connu sous le nom de saturation des gluons », a-t-il précisé.
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Un défi pour le phénomène d'« ombrage » (shadowing)
Takaki a été un pionnier de cette approche et a contribué à l'élaboration de modèles théoriques décrivant comment les gluons forment des régions localisées de haute densité, parfois appelées « points chauds » (hot spots). Dans le modèle de points chauds dépendant de l'énergie, ces régions évoluent en fonction de l'énergie de collision et peuvent fournir des indices d'une nouvelle physique liée à l'interaction forte.
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont mesuré la production incohérente de J/ψ sur une large gamme d'énergies photon-noyau — allant de 20 à 633 milliards d'électronvolts — tout en examinant comment l'interaction varie en fonction du transfert d'impulsion, paramètre qui détermine la finesse avec laquelle le noyau est sondé.
« Les résultats ont révélé un schéma frappant », a déclaré le chercheur de l'université du Kansas (KU). « Aux plus petites échelles spatiales explorées lors de l'expérience, le taux de production des particules J/ψ est nettement réduit, avec une signification statistique d'environ trois écarts-types. »
Il a déclaré que cette réduction remet en question une explication de longue date connue sous le nom d'« effet d'ombre nucléaire ».
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RESUME
Une nouvelle mesure du CERN remet en question les modèles conventionnels du comportement des gluons au sein des noyaux atomiques.
Des mesures multidimensionnelles de la production photonucléaire incohérente de mésons J/ψ, réalisées dans une gamme d'énergie de 20 à 633 GeV, permettent d'explorer les fluctuations locales des gluons nucléaires à des échelles de 0,2 à 0,6 fm. La production réduite observée aux plus petites échelles — avec une significativité d'environ 3σ — n'est pas entièrement expliquée par le phénomène conventionnel d'ombrage nucléaire et s'accorde avec l'hypothèse de la saturation des gluons.
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COMMENTAIRES
Les gluons sont des particules élémentaires de masse nulle qui agissent comme une « colle » d'échange pour l'interaction forte, liant les quarks entre eux pour former des protons, des neutrons et d'autres hadrons. Régis par la chromodynamique quantique (QCD), ils maintiennent en place les constituants fondamentaux des noyaux atomiques ,les qurks ....
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Selon la théorie de la
chromodynamique quantique (QCD), il existe huit types indépendants de gluons. Bien qu'une combinaison de trois charges de couleur et de trois charges d'anticouleur suggère neuf états couleur-anticouleur possibles, les règles mathématiques et quantiques permettent de combiner et d'éliminer un état totalement incolore, aboutissant à un octet de huit états de gluons actifs distincts.
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L article du CERN montre que tout n estpas encore completement cherent dans le modele QCD .Leur spin est de valeur 1
