À l'intérieur de chaque proton de chaque atome de l'univers se trouve un environnement d'autocuiseur qui surpasse le cœur écrasant les atomes d'une étoile à neutrons. C'est selon la première mesure d'une propriété mécanique des particules subatomiques, la répartition de la pression à l'intérieur du proton, qui a été réalisée par des scientifiques du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du ministère de l'Énergie.

Les physiciens nucléaires ont découvert que les éléments constitutifs du proton, les quarks, sont soumis à une pression de 100 décillions Pascal (10 ³⁵ ) près du centre d'un proton, qui est environ 10 fois supérieure à la pression au cœur d'une étoile à neutrons. Le résultat a été récemment publié dans la revue La nature .

"Nous avons trouvé une pression dirigée vers l'extérieur extrêmement élevée du centre du proton, et une pression dirigée vers l'intérieur beaucoup plus faible et plus étendue près de la périphérie du proton, " explique Volker Burkert, Jefferson Lab Hall B Leader et co-auteur de l'article.

Burkert dit que la distribution de la pression à l'intérieur du proton est dictée par la force forte, la force qui lie trois quarks ensemble pour former un proton.

"Nos résultats mettent également en lumière la répartition de la force forte à l'intérieur du proton, ", a-t-il déclaré. "Nous proposons un moyen de visualiser l'amplitude et la distribution de la force puissante à l'intérieur du proton. Cela ouvre une toute nouvelle direction en physique nucléaire et des particules qui peut être explorée à l'avenir. »

Une fois pensé impossible à obtenir, cette mesure est le résultat d'un savant appariement de deux cadres théoriques avec des données existantes.

D'abord, il y a les distributions de partons généralisées. Les GPD permettent aux chercheurs de produire une image 3D de la structure du proton telle qu'elle est sondée par la force électromagnétique. Les seconds sont les facteurs de forme gravitationnels du proton. Ces facteurs de forme décrivent ce que serait la structure mécanique du proton si les chercheurs pouvaient sonder le proton via la force gravitationnelle.

Le théoricien qui a développé le concept de facteurs de forme gravitationnels en 1966, Heinz Pagels, notoirement observé dans l'article les détaillant qu'il y avait "très peu d'espoir d'apprendre quoi que ce soit sur la structure mécanique détaillée d'une particule, à cause de l'extrême faiblesse de l'interaction gravitationnelle."

Travaux théoriques récents, cependant, a connecté les GPD aux facteurs de forme gravitationnels, permettant aux résultats des sondes électromagnétiques de protons de se substituer aux sondes gravitationnelles.

"C'est la beauté de celui-ci. Vous avez cette carte que vous pensez que vous n'obtiendrez jamais, " a déclaré Latifa Elouadrhiri, un scientifique du Jefferson Lab et co-auteur de l'article. "Mais nous y sommes, en le remplissant avec cette sonde électromagnétique."

La sonde électromagnétique est constituée de faisceaux d'électrons produits par le Continuous Electron Beam Accelerator Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Ces électrons sont dirigés dans les noyaux des atomes, où ils interagissent électromagnétiquement avec les quarks à l'intérieur des protons via un processus appelé diffusion Compton profondément virtuelle.

Dans le processus DVCS, un électron entre dans un proton et échange un photon virtuel avec un quark, transfert d'énergie au quark et au proton. Peu de temps après, le proton libère cette énergie en émettant un autre photon et continue intact. Ce processus est analogue aux calculs effectués par Pagels pour savoir comment il serait possible de sonder le proton gravitationnellement via un faisceau hypothétique de gravitons. Les chercheurs du Jefferson Lab ont pu exploiter une similitude entre les études électromagnétiques et gravitationnelles hypothétiques bien connues pour obtenir leur résultat.

"Il y a un photon qui entre et un photon qui sort. Et la paire de photons est tous les deux de spin-1. Cela nous donne la même information que l'échange d'une particule de graviton avec le spin-2, " dit François-Xavier Girod, un scientifique du Jefferson Lab et co-auteur de l'article. "Alors maintenant, on peut fondamentalement faire la même chose que nous avons fait dans les processus électromagnétiques, mais par rapport aux facteurs de forme gravitationnels, qui représentent la structure mécanique du proton."

Les chercheurs disent que la prochaine étape consiste à appliquer la technique à des données encore plus précises qui seront bientôt disponibles pour réduire les incertitudes dans l'analyse actuelle et commencer à travailler à la révélation d'autres propriétés mécaniques du proton omniprésent, telles que les forces de cisaillement internes et le rayon mécanique du proton.