Une ré-analyse minutieuse des données prises au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du ministère de l'Énergie a révélé un lien possible entre les protons et les neutrons corrélés dans le noyau et un mystère vieux de 35 ans. Les données ont conduit à l'extraction d'une fonction universelle qui décrit l'effet EMC, la découverte jadis choquante que les quarks à l'intérieur des noyaux ont des impulsions moyennes plus faibles que prévu, et soutient une explication de l'effet. L'étude a été publiée dans la revue La nature .

L'effet EMC a été découvert pour la première fois il y a un peu plus de 35 ans par la European Muon Collaboration à partir de données prises au CERN. La collaboration a découvert que lorsqu'ils mesuraient des quarks à l'intérieur d'un noyau, ils semblaient différents de ceux trouvés dans les protons et les neutrons libres.

"Il existe actuellement deux modèles principaux qui décrivent cet effet. Un modèle est que tous les protons et neutrons dans un noyau [et donc leurs quarks] sont modifiés et ils sont tous modifiés de la même manière, " dit Douglas Higinbotham, un scientifique du Jefferson Lab.

"L'autre modèle, qui est celui sur lequel nous nous concentrons dans cet article, est différent. Il dit que de nombreux protons et neutrons se comportent comme s'ils étaient libres, tandis que d'autres sont impliqués dans des corrélations à courte portée et sont fortement modifiés, " il explique.

Les corrélations à courte portée sont des partenariats éphémères formés entre les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau. Lorsqu'un proton et un neutron s'apparient dans une corrélation, leurs structures se chevauchent brièvement. Le chevauchement dure quelques instants avant que les particules ne se séparent.

La fonction de modification universelle a été développée à partir d'une réanalyse minutieuse des données d'une expérience menée en 2004 à l'aide de l'installation d'accélérateur de faisceau d'électrons continu de Jefferson Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Le CEBAF a produit un faisceau d'électrons de 5,01 GeV pour sonder les noyaux de carbone, aluminium, le fer et le plomb par rapport au deutérium (un isotope de l'hydrogène contenant un proton et un neutron dans son noyau).

Lorsque les auteurs ont comparé les données de chacun de ces noyaux au deutérium, ils ont vu le même schéma émerger. Les physiciens nucléaires ont dérivé de cette information une fonction de modification universelle pour les corrélations à courte distance dans les noyaux. Ils ont ensuite appliqué la fonction aux noyaux utilisés dans les mesures de l'effet EMC, et ils ont constaté que c'était le même pour tous les noyaux mesurés qu'ils ont considérés.

"Maintenant, nous avons cette fonction, où nous avons des paires corrélées à courte portée neutron-proton, et nous pensons qu'il peut décrire l'effet EMC, " dit Barak Schmookler, un ancien étudiant diplômé du MIT et maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Stony Brook qui a dirigé cet effort de recherche et est l'auteur principal de l'article.

Il dit que lui et ses collègues pensent que ce qui se passe, c'est qu'environ 20 pour cent des nucléons dans les paires corrélées d'un noyau à un moment donné ont un effet démesuré sur les mesures de l'effet EMC.

"Nous pensons que lorsque les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau se chevauchent dans ce que nous appelons des paires corrélées à courte portée, les quarks ont plus de marge de manœuvre, et donc, se déplacent plus lentement que dans un proton ou un neutron libre, " il explique.

"L'image avant ce modèle est que tous les protons et neutrons, quand ils sont collés ensemble dans un noyau, tous leurs quarks commencent à ralentir. Et ce que suggère ce modèle, c'est que la plupart des protons et des neutrons continuent comme si rien n'avait changé, et ce sont les protons et les neutrons sélectionnés qui sont dans ces paires qui ont vraiment un changement significatif dans leurs quarks, " explique Axel Schmidt, un boursier postdoctoral du MIT et co-auteur.

Higinbotham dit si cette image détaillée de ce qui se passe dans le noyau peut être confirmée, pour l'instant, la fonction de modification universelle semble bien lier tous les éléments de ce mystère de manière cohérente.

"Donc, nous avons montré que les paires sont des paires et qu'elles se comportent de la même manière, qu'ils soient dans un noyau de plomb ou de carbone. Nous avons également montré que lorsque le nombre de paires est différent parce qu'elles sont dans des noyaux différents, ils agissent toujours collectivement de la même manière, " Higinbotham explique. " Donc, ce que nous pensons avoir trouvé, c'est qu'avec une image physique, nous pouvons expliquer à la fois l'effet EMC et les corrélations à courte portée."

Si ça tient, cette image physique des corrélations à courte portée en tant que cause de l'effet EMC accomplit également une autre étape vers un objectif à long terme des physiciens nucléaires et des particules de relier nos deux visions différentes du noyau de l'atome :comme il est composé de protons et de neutrons , par rapport au fait qu'il est composé de leurs quarks constitutifs.

Les physiciens nucléaires ont déjà commencé à travailler sur la prochaine étape pour confirmer cette nouvelle hypothèse, qui consiste à mesurer la structure en quarks des protons engagés dans des corrélations à courte distance et à la comparer avec des protons non corrélés.

"La prochaine chose que nous allons faire est une expérience que nous menons dans le hall expérimental B du Jefferson Lab avec le détecteur de neutrons à angle arrière. Il mesurera le proton lorsqu'il est dans le deutérium et se déplace à différentes vitesses. Alors, nous voulons comparer des protons lents et rapides", explique Lawrence Weinstein, co-auteur principal et professeur et chercheur éminent à l'Université Old Dominion. "Cette expérience obtiendra suffisamment de données pour répondre à la question. Celle-ci indique fortement une réponse, mais ce n'est pas définitif."

Au-delà de ça, le prochain objectif de la collaboration est de commencer à examiner comment les corrélations à courte portée et l'effet EMC peuvent être étudiés plus avant dans un futur collisionneur électron-ion potentiel. La collaboration travaille maintenant sur un projet pour déterminer la meilleure façon d'atteindre cet objectif, en utilisant les fonds fournis par le programme de R&D dirigé par le laboratoire de Jefferson Lab.