Un mystère concernant la structure des protons est sur le point d'être résolu, grâce à une expérience de sept ans menée par des chercheurs du MIT.

Pendant de nombreuses années, les chercheurs ont sondé la structure des protons - des particules subatomiques avec une charge positive - en les bombardant d'électrons et en examinant l'intensité des électrons diffusés sous différents angles.

Ils ont ainsi tenté de déterminer la répartition de la charge électrique et de l'aimantation du proton. Ces expériences avaient précédemment conduit les chercheurs à supposer que les distributions de charges électriques et magnétiques sont les mêmes, et qu'un photon - une particule élémentaire de lumière - est échangé lorsque les protons interagissent avec les électrons de bombardement.

Cependant, au début des années 2000, les chercheurs ont commencé à réaliser des expériences en utilisant des faisceaux d'électrons polarisés, qui mesurent la diffusion élastique électron-proton en utilisant le spin des protons et des électrons. Ces expériences ont révélé que le rapport entre les distributions de charges électriques et magnétiques diminuait considérablement avec les interactions à haute énergie entre les électrons et les protons.

Cela a conduit à la théorie selon laquelle non pas un mais deux photons étaient parfois échangés au cours de l'interaction, provoquant une répartition inégale des charges. Quoi de plus, la théorie prévoyait que ces deux particules seraient dites "dures, " ou photons de haute énergie.

Afin d'identifier cet "échange à deux photons, " une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Laboratoire de sciences nucléaires du MIT a mené une expérience de sept ans, connu sous le nom d'Olympe, au synchrotron électronique allemand (DESY) à Hambourg.

Dans un article publié cette semaine dans la revue Lettres d'examen physique , les chercheurs dévoilent les résultats de cette expérience, qui indiquent que deux photons sont bien échangés lors des interactions électron-proton.

Cependant, contrairement aux prédictions théoriques, l'analyse des mesures OLYMPUS suggère que, la plupart du temps, un seul des photons a une énergie élevée, tandis que l'autre doit transporter très peu d'énergie en effet, selon Richard Milner, professeur de physique et membre du groupe de physique hadronique du Laboratoire de sciences nucléaires, qui a mené l'expérience.

"Nous n'avons vu que peu ou pas de preuves d'un échange dur de deux photons, " dit Milner.

Ayant proposé l'idée de l'expérience à la fin des années 2000, le groupe a obtenu un financement en 2010.

Les chercheurs ont dû démonter l'ancien spectromètre BLAST - un détecteur complexe de 125 mètres cubes basé au MIT - et le transporter en Allemagne, où il a été remonté avec quelques améliorations. Ils ont ensuite mené l'expérimentation sur trois mois en 2012, avant que l'accélérateur de particules du laboratoire ne soit lui-même mis hors service et arrêté à la fin de la même année.

L'expérience, qui a été menée en même temps que deux autres aux États-Unis et en Russie, impliquait de bombarder les protons avec à la fois des électrons chargés négativement et des positons chargés positivement, et comparer la différence entre les deux interactions, selon Douglas Hasell, chercheur principal au Laboratoire de science nucléaire et au Groupe de physique hadronique du MIT, et un autre des auteurs de l'article.

Le processus produira une mesure subtilement différente selon que les protons sont diffusés par des électrons ou des positons, dit Hasell. "Si vous voyez une différence (dans les mesures), cela indiquerait qu'il y a un effet à deux photons qui est significatif."

Les collisions ont duré trois mois, et les données résultantes ont pris encore trois ans à analyser, dit Hasell.

La différence entre les résultats théoriques et expérimentaux signifie que d'autres expériences devront peut-être être menées à l'avenir, à des énergies encore plus élevées où l'effet d'échange de deux photons devrait être plus important, dit Hasell.

Il peut s'avérer difficile d'atteindre le même niveau de précision atteint dans l'expérience OLYMPUS, toutefois.

"Nous avons mené l'expérience pendant trois mois et avons produit des mesures très précises, " dit-il. " Il faudrait courir pendant des années pour obtenir le même niveau de précision, à moins que les performances (de l'expérience) ne puissent être améliorées."

Dans l'immédiat, les chercheurs prévoient de voir comment la communauté de la physique théorique réagit aux données, avant de décider de leur prochaine étape, dit Hasell.

"Il se peut qu'ils puissent apporter un petit ajustement à un détail de leurs modèles théoriques pour tout mettre en accord, et expliquer les données à des énergies supérieures et inférieures, " il dit.

"Ensuite, ce sera aux expérimentateurs de vérifier si c'est le cas."