Calculer le spin d'un proton était une tâche facile à l'université. En réalité, Carl Gagliardi se souvient avoir répondu à cette question lorsqu'il était étudiant diplômé en physique dans les années 1970. Mais la vraie réponse s'est avérée pas simple du tout. Même la "bonne" réponse de Gagliardi a été démentie par des expériences quelques années plus tard qui ont bouleversé le domaine.

Les protons sont l'une des trois particules qui composent les atomes, les éléments constitutifs de l'univers. Le spin d'un proton est l'une de ses propriétés les plus fondamentales. Parce que les protons sont en partie constitués de quarks, les scientifiques ont supposé que les spins des protons n'étaient que la somme des spins des quarks.

Mais des études dans les années 1980 ont montré que la réalité est beaucoup plus complexe. Depuis, Gagliardi et d'autres chercheurs ont utilisé les installations uniques du DOE Office of Science User Facility de Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) et du Brookhaven National Laboratory pour explorer ce phénomène fondamental.

Enquêter sur une force de la nature

Les protons ont toujours un "spin". La direction et la force du spin d'un proton déterminent ses propriétés magnétiques et électriques. Les modifications du spin du proton modifient également sa structure.

"En comprenant comment [les composants d'un proton] jouent les uns avec les autres pour produire un spin, nous pouvons apprendre comment Mère Nature construit un proton, " dit Gagliardi, maintenant chercheur au Cyclotron Institute de Texas A&M. Il collabore aux travaux du Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven National Laboratory à Long Island, New York.

Une meilleure compréhension du spin et de la structure des protons pourrait conduire à des avantages inattendus. Tout comme les découvertes de James Clerk Maxwell sur l'électromagnétisme dans les années 1860 ont jeté les bases de l'électronique d'aujourd'hui, certains scientifiques pensent que la compréhension du spin du proton pourrait conduire à des avancées similaires.

"[Les équations de Maxwell] étaient la maîtrise de l'humanité sur une force fondamentale de la nature, électromagnétisme, " dit Jean Lajoie, un chercheur de l'État de l'Iowa qui travaille sur RHIC. "Ce que nous essayons de faire, c'est d'acquérir une compréhension fondamentale de la force qui lie les quarks au proton."

Résultats inattendus

"L'étude du spin en physique a conduit à beaucoup de surprises, " a déclaré Elke-Caroline Aschenauer, qui dirige le groupe de recherche de Brookhaven axé sur le spin du proton. Mais la nature n'a pas livré ses secrets facilement.

Les chercheurs ont d'abord pensé que chaque proton n'était composé que de trois quarks, qui ensemble déterminaient la rotation. Les quarks sont des particules élémentaires que les scientifiques n'ont pas été en mesure de décomposer en parties plus petites.

Mais plus ils regardaient de près, plus l'image est complexe. L'expérience initiale à l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) a suggéré que les spins des quarks ne contribuaient presque pas au spin du proton. Depuis, des expériences plus précises ont porté la contribution au spin des quarks à 25 à 30 pour cent. Cela laisse une bonne partie sans compte.

Plutôt que d'être déçu, de nombreux physiciens étaient ravis.

"Je vis pour avoir tort, " dit Lajoie. " C'est là qu'on apprend. "

Frapper des particules ensemble

Pour étudier les protons et autres particules subatomiques, les scientifiques utilisent des accélérateurs pour les heurter à des vitesses proches de la vitesse de la lumière.

"Les physiciens des particules n'ont pas vraiment évolué beaucoup plus loin que l'époque des hommes des cavernes en termes de collision de deux rochers, " plaisante Lajoie.

Les accélérateurs de Brookhaven et Jefferson Labs ont la capacité unique de polariser des flux de particules. Cela signifie qu'ils coordonnent les spins des particules afin qu'ils soient alignés dans la même direction.

À l'installation d'accélérateur de faisceau d'électrons continu (CEBAF), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Jefferson Lab à Newport News, Virginie, la machine tire un faisceau polarisé d'électrons dans une cible fixe. La cible est également polarisée. La collision du faisceau d'électrons avec les protons ou les neutrons de la cible donne aux scientifiques un aperçu particulièrement bon des contributions des quarks au spin. Lorsque le faisceau atteint la cible, les particules se dispersent sous différents angles. Un spectromètre électronique identifie ensuite quels types et combien de particules ont résulté de l'expérience.

Le RHIC de Brookhaven envoie deux faisceaux de protons à travers un tunnel de quatre milles de long. Quand ils se heurtent, les particules se déchirent et se regroupent immédiatement. Ils frappent deux détecteurs de la taille d'une maison qui collectent des données sur leur direction, élan, et de l'énergie.

"C'est juste un accomplissement incroyable de l'humanité, " dit Ernst Sichtermann, chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE et porte-parole adjoint de l'une des expériences du RHIC.

En tant que seule installation capable de polariser et de heurter des protons, RHIC est utile pour comprendre la contribution des gluons. Les gluons sont les particules qui maintiennent les quarks ensemble pour former des protons et des neutrons.

Comparer et contraster les résultats est une partie essentielle de la recherche sur le spin du proton. Les deux laboratoires mènent des expériences qui examinent ce qui se passe lorsque vous heurtez des particules qui tournent dans la même direction par rapport à celles qui tournent dans des directions opposées. Pour déterminer comment une particule spécifique, comme un gluon ou un quark, contribue à l'essorage, les chercheurs comparent le nombre et le type de particules résultant de différentes configurations des faisceaux et de la cible.

L'un des principaux défis consiste à collecter et à analyser l'incroyable quantité de données. Une grande partie du travail se concentre sur la collecte des données correctes et la minimisation des erreurs ou des biais.

"C'est là que l'on devient un vrai physicien, " a déclaré Gagliardi. " Quatre-vingt-quinze pour cent du temps d'analyse scientifique est consacré à l'identification, quantifier et limiter ces biais."

Comprendre les contributions

A l'aide de ces outils, les physiciens ont réalisé que la structure du proton n'est pas simple du tout. C'est un océan de quarks et de gluons changeants. En outre, Les gluons se divisent rapidement en paires de quarks et d'antiquarks à courte durée de vie (appelés quarks marins). Les anti-quarks ont des caractéristiques similaires aux quarks, sauf l'accusation opposée.

Un certain nombre d'expériences ont examiné les sources possibles de spin.

Une expérience au RHIC a révélé que les spins des anti-quarks ne sont souvent pas alignés dans la même direction. Par conséquent, il est peu probable qu'ils contribuent beaucoup au spin du proton.

Une autre étude a abordé le rôle des gluons. En 2014, les scientifiques ont trouvé des données expérimentales qui ont démontré que les gluons contribuent de manière significative au spin du proton. En réalité, ils contribuent à environ 20 à 30 pour cent de celui-ci.

Une expérience de suivi s'est concentrée sur les gluons "wimpy" avec une faible quantité de mouvement. Des études antérieures avaient sous-estimé la contribution de ces gluons. Mais des collisions à des énergies beaucoup plus élevées ont montré que, bien que des gluons simples "wimpy" ne contribuent presque rien, le simple nombre d'entre eux a pour résultat un peu d'influence.

Il existe une source majeure que les chercheurs n'ont pas encore explorée :le moment angulaire orbital. Le moment angulaire orbital provient du mouvement des quarks et des gluons les uns par rapport aux autres. Alors que les théoriciens ont développé des simulations qui modélisent cette contribution, les scientifiques n'ont pas eu l'équipement pour les tester.

Cela va changer avec l'ouverture d'une mise à niveau majeure du CEBAF. Doubler l'énergie de l'accélérateur et offrir une meilleure résolution permettra aux scientifiques d'étudier le moment angulaire orbital. Les membres du personnel du laboratoire s'attendent à ce que l'accélérateur mis à niveau soit pleinement opérationnel au cours de la prochaine année.

"Il n'y a pas d'autre poutre comme elle ailleurs dans le monde, " a déclaré Robert McKeown, Directeur adjoint de la recherche du Jefferson Lab.