Les protons sont connus pour contenir des quarks et des gluons. Mais les gluons se comportent-ils comme prévu ?

Les scientifiques du TOTEM (Total, mesure des sections efficaces élastiques et diffractives) peut avoir trouvé des preuves indirectes d'un composé de gluons subatomique dans les collisions proton-proton. Théorisé pour la première fois dans les années 1970, un tel état, puis surnommé "Odderon, " est constitué d'un nombre impair de gluons.

D'habitude, les protons qui entrent en collision dans le LHC se brisent et créent de nouvelles particules. Parfois cependant, dans environ 25 % du temps, ils survivent intacts à la rencontre. Au lieu de se briser en morceaux, ils ne changent de direction et n'émergent du détecteur qu'à des angles très faibles par rapport au tube de faisceau – leur déviation à une distance de 200 mètres est de l'ordre d'un millimètre. Ce type d'interaction est appelé "diffusion élastique" et c'est la spécialité de TOTEM, La plus longue expérience du CERN. Pour pouvoir détecter les protons survivants, ses détecteurs sont répartis sur près d'un demi-kilomètre autour du point d'interaction CMS.

Les quarks du proton sont liés par des gluons, les porteurs de la force forte. Les physiciens ont expliqué avec succès la diffusion élastique à faible transfert d'impulsion et à hautes énergies avec l'échange d'un "Pomeron, " qui en langage moderne est un état de deux gluons associés.

TOTEM a mesuré avec précision le processus de diffusion élastique à 13 TeV pour extraire la probabilité totale de collisions proton-proton ainsi que le paramètre dit rho qui aide à expliquer la différence de diffusion proton-proton et antiproton-proton.

En combinant ces deux mesures, TOTEM trouve un meilleur accord avec les modèles théoriques qui indiquent l'échange de trois gluons agrégés. Bien que cet échange ait été prédit par la théorie de la chromodynamique quantique (QCD) dans les années 1980, aucune preuve expérimentale n'avait été présentée à ce jour.

Les mesures suggèrent également un ralentissement de la probabilité totale de diffusion avec l'énergie. Bien que quelque peu attendu à la plus haute énergie, il n'y a eu aucune indication d'un tel effet dans les données précédentes.

« Ces mesures explorent pour la première fois le comportement des protons dans les interactions élastiques à la plus haute énergie de 13 TeV. Ces résultats obtenus avec une précision record ont été rendus possibles par les excellentes performances des détecteurs TOTEM et les capacités exceptionnelles du Large Hadron Collider. , " observa Simone Giani, le porte-parole de TOTEM.

Si trois gluons formaient vraiment un composé, il devrait apparaître dans d'autres expériences de diffusion. Les physiciens attendent donc avec impatience des expériences dédiées pour établir si un tel composé est réellement en train de se former. Afin d'approfondir et de confirmer les interprétations théoriques, une exécution spéciale de protons LHC à une énergie de 900 GeV est prévue en 2018 pour collecter davantage de données et elle impliquera également d'autres expériences LHC.