Les médecins utilisent depuis longtemps les tomodensitogrammes pour obtenir des images en 3D du fonctionnement interne du corps humain. Maintenant, les physiciens s'efforcent d'obtenir leurs premiers tomodensitogrammes du fonctionnement interne du noyau. Une mesure des quarks dans les noyaux d'hélium démontre que l'imagerie 3D de la structure interne du noyau est désormais possible.

Nathan Baltzell est chercheur postdoctoral au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du ministère de l'Énergie à Newport News, Va. Il dit que cette mesure réussie est l'une des premières étapes vers l'imagerie des noyaux d'une nouvelle manière.

"C'est une mesure de preuve de principe qui ouvre un nouveau domaine - l'imagerie de la structure nucléaire en trois dimensions avec la tomographie GPD, " il dit.

Il explique que les GPD, ou des distributions de partons généralisées, fournir un cadre qui, lorsqu'il est combiné avec des résultats expérimentaux, permet aux physiciens nucléaires de réaliser un rendu 3D des éléments constitutifs des particules subatomiques, comme le proton, neutron, et maintenant, même le noyau.

Les GPD sont déjà appliqués aux études d'imagerie 3D des protons et des neutrons au Jefferson Lab. Ces études aident les chercheurs à comprendre comment les quarks et les gluons construisent des protons et des neutrons. Maintenant, Baltzell et ses collègues veulent ouvrir une nouvelle fenêtre sur la structure du noyau en étendant cette technique de tomographie GPD aux noyaux.

"Nous avons fait ce genre d'études sur les quarks et les gluons à l'intérieur des protons et des neutrons pendant un bon moment, " dit-il. " Mais dans un noyau, où vous avez plusieurs neutrons et protons ensemble… Nous ne savons pas vraiment comment les comportements des quarks et des gluons changent et comment ils se déplacent différemment lorsque vous les mettez dans un noyau. "

L'expérience a été menée en 2009 à l'installation d'accélérateur de faisceau d'électrons continu de Jefferson Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Dedans, des électrons ont été projetés dans les noyaux d'atomes d'hélium-4.

"Nous avons commencé avec l'hélium-4 comme preuve de principe pour cette étude, " dit Baltzell. " Nous avons choisi l'hélium 4 parce que c'est un noyau léger, relativement dense, et sans fil. Ces caractéristiques le rendent expérimentalement attrayant et l'interprétation théorique beaucoup plus simple."

Les expérimentateurs se sont intéressés aux environ 3, 200 événements qu'ils ont enregistrés des électrons interagissant avec des quarks individuels à l'intérieur des noyaux. Pour chacun de ces événements, l'électron sortant, le noyau d'hélium et un photon émis par le quark individuel ont tous été enregistrés.

"Pour faire une mesure précise comme celle-ci, vous voulez mesurer tout ce qui sort. C'est la première fois que nous mesurons toutes les particules à l'état final, " ajoute Baltzell.

Le résultat de l'expérience a été publié l'automne dernier dans Lettres d'examen physique .

Maintenant que les chercheurs ont montré que cette technique est réalisable, la collaboration franchit une nouvelle étape pour poursuivre ces études avec les nouvelles capacités offertes par l'accélérateur amélioré et l'équipement expérimental du Jefferson Lab. Une nouvelle expérience a déjà été planifiée pour commencer le long processus de composition de cette image 3D de la structure interne quark-gluon du noyau d'hélium-4.