Gluons, les particules ressemblant à de la colle qui lient habituellement les quarks subatomiques dans les protons et les neutrons qui composent les noyaux atomiques, semblent jouer un rôle important dans l'établissement des propriétés clés de la matière. Mais maintenant, personne ne peut voir comment les gluons sont distribués dans les protons et les noyaux individuels. Des expériences récentes au Brookhaven National Lab et au Centre européen de recherche nucléaire (CERN) suggèrent que l'arrangement de ces particules au sein d'un proton fluctue fortement. Cela signifie que pendant que, en moyenne, un proton est proche de sphérique, si nous devions prendre des instantanés d'un proton dans le temps, chacun d'eux aurait l'air radicalement différent. Les théoriciens nucléaires de Brookhaven ont développé un modèle des fluctuations des gluons qui est cohérent avec les mesures précédentes. Le modèle leur permet d'interpréter les nouvelles données des expériences de collision nucléaire comme des instantanés de ce à quoi ressemble vraiment un proton à un moment donné.

Les physiciens nucléaires veulent étudier les propriétés de la matière nucléaire dans le noyau et comment elle est modifiée par les collisions à haute énergie. Pour ce faire, ils mesurent les modèles de particules qui sortent des collisions de protons avec des noyaux lourds dans des collisionneurs de particules. Ces collisionneurs comprennent le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire national de Brookhaven et le grand collisionneur de hadrons (LHC) du laboratoire européen du CERN. Pour mieux comprendre la question nucléaire, ils doivent savoir à quoi ressemblait le proton au moment de la collision. Lors d'expériences dans ces installations, où les particules sont accélérées à des énergies élevées, les gluons sont des particules virtuelles qui se divisent et se recombinent en continu, essentiellement vacillant dans et hors de l'existence comme la lumière des lucioles qui clignotent dans le ciel nocturne. Parce que les scientifiques ne peuvent pas voir ce scintillement directement, ils ont besoin d'un modèle qui décrit avec précision le comportement fluctuant. Comprendre le scintillement permet aux physiciens d'interpréter les résultats de ces expériences pour mieux comprendre la structure interne des protons et mieux expliquer notre monde.

Les résultats expérimentaux du RHIC et du LHC suggèrent que les protons sont beaucoup plus complexes qu'un simple arrangement de trois quarks maintenus ensemble par des gluons. Comprendre comment les protons interagissent lorsqu'ils entrent en collision avec des noyaux plus gros nécessite de connaître la géométrie du proton juste avant la collision, qu'il soit rond ou plus irrégulier, par exemple. L'exploration de la structure interne du proton est également un effort de recherche fondamentale pour les physiciens nucléaires.

Alors que les scientifiques savent quelle est la densité moyenne de gluons à l'intérieur d'un proton, ils ne savent pas exactement où se trouvent les gluons à l'intérieur de la plus grosse particule ou quelle peut être l'ampleur des fluctuations de forme et de distribution des gluons. Sans la capacité de voir à l'intérieur du proton, les scientifiques ont développé un modèle mathématique pour représenter une variété d'arrangements de gluons. Les scientifiques ont ensuite testé le modèle en comparant ses prédictions avec les données expérimentales d'un accélérateur en Allemagne. Ils ont découvert que l'inclusion d'un degré élevé de fluctuations des gluons dans leur modèle correspondait le mieux aux données. Les scientifiques cherchent maintenant à appliquer ces connaissances aux collisions proton-noyau au RHIC et au LHC. Si ce modèle peut décrire avec succès ces expériences, les scientifiques pourront utiliser certains observables clés des expériences comme mesures de la forme du proton au moment de la collision.