L'asymétrie dans le proton déconcerte les physiciens, mais une nouvelle découverte peut ramener de vieilles théories pour l'expliquer.

Symétrie—affichée dans des domaines allant des mathématiques et de l'art, aux organismes vivants et aux galaxies - est une structure sous-jacente importante dans la nature. Elle caractérise notre univers et permet de l'étudier et de le comprendre.

Parce que la symétrie est un thème si omniprésent dans la nature, les physiciens sont particulièrement intrigués lorsqu'un objet semble devoir être symétrique, mais ce n'est pas le cas. Lorsque les scientifiques sont confrontés à ces symétries brisées, c'est comme s'ils avaient trouvé un objet avec un étrange reflet dans le miroir.

Le proton, une particule chargée positivement qui existe au centre de chaque atome, présente une asymétrie dans sa composition. Des physiciens du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'énergie (DOE) et leurs collaborateurs ont récemment étudié les subtilités de cette symétrie brisée connue grâce à une expérience menée au laboratoire national de l'accélérateur Fermi du DOE. Les résultats de l'expérience pourraient modifier la recherche sur le proton en ravivant les théories précédemment rejetées de son fonctionnement interne.

Le résultat de cette expérience contredit la conclusion d'une étude de la fin des années 90, également réalisée au Fermilab. Les scientifiques peuvent désormais revisiter les théories pour décrire l'asymétrie dans le proton qui ont été exclues par l'ancienne expérience.

Comprendre les propriétés du proton aide les physiciens à répondre à certaines des questions les plus fondamentales de toute la science, et en enquêtant sur le monde au plus petit niveau, les scientifiques font progresser la technologie que nous utilisons tous les jours. Les études sur le proton ont conduit au développement de la protonthérapie pour le traitement du cancer, mesure du rayonnement protonique pendant les voyages dans l'espace et même compréhension de la formation des étoiles et de l'univers primitif.

« Nous avons pu examiner la dynamique déroutante au sein du proton, " a déclaré le physicien d'Argonne Don Geesaman, " et à travers cette expérience, la nature ouvre la voie aux concepts des modèles plus anciens du proton pour qu'ils aient un second regard."

Matière dépareillée

Tout comme les formes peuvent avoir une symétrie, les particules peuvent, trop. Un cercle parfait se compose de deux demi-cercles de même taille faisant face à des directions opposées, et chaque type de particule dans l'univers a une antiparticule de même masse avec une charge électrique opposée.

Les éléments constitutifs du proton comprennent des particules appelées quarks, et leurs antiparticules, appelés antiquarks. Ils viennent en "saveurs", comme vers le haut, vers le bas, anti-haut et anti-bas. Les quarks et les antiquarks sont liés ensemble à l'intérieur du proton par une force nucléaire puissante. La force de cette force peut tirer des paires de quarks et d'antiquarks du néant, et ces couples existent peu de temps avant de s'annihiler. Cette « mer » de quarks et d'antiquarks qui apparaissent et disparaissent est toujours présente à l'intérieur du proton.

Avec curiosité, n'importe quand, il y a trois quarks de plus que les antiquarks :deux quarks up de plus que les antiquarks up, et un quark down de plus que les antiquarks down. En d'autres termes, ces quarks mésappariés n'ont pas d'homologues antimatière. Cette asymétrie est la raison pour laquelle les protons sont chargés positivement, permettant aux atomes - et donc à toute la matière - d'exister.

"Nous avons encore une compréhension incomplète des quarks dans un proton et comment ils donnent naissance aux propriétés du proton, " a déclaré Paul Reimer, un physicien d'Argonne sur l'étude. "La nature éphémère des paires quark-antiquark rend leur présence dans les protons difficile à étudier, mais dans cette expérience, nous avons détecté les anéantissements des antiquarks, ce qui nous a donné un aperçu de l'asymétrie."

L'expérience a déterminé qu'il y a toujours plus d'anti-quarks down dans le proton que d'anti-quarks up, quelles que soient les quantités de mouvement des quarks. La signification de ce résultat est sa contradiction avec la conclusion de l'expérience Fermilab à la fin des années 90, ce qui suggère qu'à des moments élevés, l'asymétrie du proton s'inverse, ce qui signifie que les anti-quarks up commencent à dominer les anti-quarks down.

« Nous avons conçu la nouvelle expérience pour examiner ces impulsions élevées afin de déterminer si ce changement se produit réellement, " a déclaré Reimer. "Nous avons montré qu'il existe une asymétrie régulière sans basculement du rapport entre les quarks anti-up et anti-down."

Reconstruire l'anéantissement

Sonder les quarks et les antiquarks dans le proton, les scientifiques ont tiré des faisceaux de protons sur des cibles et étudié les conséquences des collisions de particules. Spécifiquement, ils ont étudié ce qui se passe après qu'un proton du faisceau frappe un proton dans la cible.

Lorsque des protons entrent en collision, les quarks et les antiquarks des protons s'annihilent mutuellement. Puis, deux nouvelles particules fondamentales appelées muons sortent de l'annihilation, agissant comme la signature de l'interaction. De ces interactions, les scientifiques ont déterminé le rapport entre les quarks anti-up et les quarks anti-down à une gamme de moments élevés.

"Nous avons choisi de mesurer les muons parce qu'ils peuvent mieux traverser la matière que la plupart des autres fragments de collision, " dit Reimer. Entre les cibles et leurs appareils de mesure, l'équipe a placé un mur de fer de cinq mètres d'épaisseur pour empêcher d'autres particules de passer et de brouiller leurs signaux.

Lorsque les muons heurtent les appareils de mesure à la fin de leur voyage, les scientifiques ont reconstitué les annihilations quark-antiquark à partir des mesures, leur permettant de confirmer le bon déroulement, rapport constant des anti-quarks up aux anti-quarks down.

Un deuxième regard

"Ce que nous pensions avoir vu dans l'expérience précédente n'est pas ce qui se passe, " dit Geesaman, qui faisait partie des études actuelles et précédentes. "Pourquoi, bien que? C'est la prochaine étape."

Les théories qui ont été rejetées après avoir contredit les résultats de l'expérience précédente donnent maintenant une excellente description des nouvelles données, et les scientifiques peuvent les revisiter avec plus de confiance grâce à cette expérience. Ces théories éclaireront d'autres expériences sur l'asymétrie dans le proton et d'autres particules, ajoutant à notre compréhension de la théorie entourant les quarks.

Des indices sur la nature des quarks dans le proton conduisent finalement à une meilleure compréhension du noyau atomique. Comprendre le noyau peut démystifier les propriétés de l'atome et la façon dont les différents éléments chimiques réagissent les uns avec les autres. La recherche sur les protons touche à des domaines tels que la chimie, astronomie, cosmologie et biologie, menant aux progrès de la médecine, science des matériaux et plus encore.

"Vous avez besoin d'expérience pour diriger la réflexion et contraindre la théorie, et ici, nous cherchions la nature pour nous donner un aperçu de la dynamique du proton, " a déclaré Geesaman. "C'est un cycle entrelacé d'expériences et de théories qui mène à des recherches percutantes."

Un article sur l'étude, "L'asymétrie de l'antimatière dans le proton", a été publié dans La nature le 24 février.