Une nouvelle expérience a utilisé des électrons de haute énergie pour éliminer des protons à l'intérieur d'un noyau de carbone à la recherche de "protons comprimés". Ce sont des protons qui sont "pressés" de telle sorte que leurs quarks constitutifs sont dans une configuration de petite taille, leur permettant de sortir du noyau sans interagir avec d'autres protons ou neutrons, un effet appelé transparence des couleurs. La nouvelle expérience a poussé les mesures aux vitesses les plus élevées jamais explorées avec des électrons, mais a découvert que les protons éliminés se comportaient exactement comme des protons ordinaires. Crédit :Jefferson Lab du DOE
Alors que les protons peuplent le noyau de chaque atome de l'univers, parfois, ils peuvent être comprimés dans une taille plus petite et glisser hors du noyau pour se défouler seuls. L'observation de ces protons comprimés peut offrir des informations uniques sur les particules qui construisent notre univers.
Maintenant, les chercheurs à la recherche de ces protons comprimés au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l'Énergie sont arrivés les mains vides, suggérant qu'il y a plus au phénomène qu'on ne le pensait au départ. Le résultat a été récemment publié dans Lettres d'examen physique .
"Nous cherchions à comprimer le proton de telle sorte que ses quarks soient dans une configuration de petite taille. Et c'est une chose assez difficile à faire, " dit Holly Szumila-Vance, un scientifique du Jefferson Lab.
Les protons sont constitués de trois quarks liés par la force forte. Dans un proton ordinaire, la force puissante est si forte qu'elle s'échappe, faire coller le proton aux autres protons et neutrons qui l'entourent dans le noyau. C'est selon la chromodynamique quantique, ou QCD, la théorie qui décrit comment les quarks et la force forte interagissent. En CDQ, la force forte est également appelée force de couleur.
Cependant, QCD prédit également que le proton peut être comprimé de telle sorte que les quarks deviennent plus étroitement liés, s'enveloppant essentiellement si étroitement dans la force de couleur qu'il ne s'échappe plus du proton. Quand cela arrive, le proton ne colle plus aux autres particules et peut se déplacer librement dans le noyau. Ce phénomène est appelé "transparence des couleurs, " puisque le proton est devenu invisible à la force de couleur des particules qui l'entourent.
"C'est une prédiction fondamentale de la chromodynamique quantique, la théorie qui décrit ces particules, " expliqua Szumila-Vance.
Une expérience antérieure a montré la transparence des couleurs dans des particules plus simples constituées de quarks appelés pions. Où les protons ont trois quarks, les pions n'en ont que deux. En outre, une autre expérience menée avec des protons avait également suggéré que les protons pouvaient également présenter une transparence de couleur à des énergies bien à la portée de l'installation récemment modernisée du Jefferson Lab.
"Nous nous attendions à trouver les protons pressés tout comme les pions, " dit Dipangkar Dutta, professeur à la Mississippi State University et porte-parole de l'expérience. "Mais nous sommes allés à des énergies de plus en plus élevées et nous ne les trouvons toujours pas."
L'expérience a été l'une des premières à se dérouler dans l'installation d'accélérateur de faisceau d'électrons continu, une installation utilisateur du DOE Office of Science, suite à sa mise à niveau à 12 GeV. Dans l'expérience, les physiciens nucléaires ont dirigé les électrons de haute énergie du CEBAF dans les noyaux des atomes de carbone. Ils ont ensuite mesuré les électrons sortants et tous les protons qui en sortaient.
« C'était une expérience passionnante à laquelle faire partie. C'était la première expérience à fonctionner dans le hall expérimental C après que nous ayons mis à niveau le hall pour qu'il fonctionne à 12 GeV, " a déclaré Szumila-Vance. "Ce sont les protons les plus dynamiques mesurés au Jefferson Lab, et les protons les plus dynamiques jamais produits par diffusion d'électrons."
« Aux énergies que nous sondons, le proton est généralement décimé, et vous regardez les débris du proton, " expliqua Dutta. " Mais dans notre cas, nous voulons que le proton reste un proton, et la seule façon que cela puisse arriver est que les quarks se serrent les uns contre les autres, se tiennent beaucoup plus étroitement pour qu'ils puissent s'échapper ensemble du noyau."
Alors que les physiciens nucléaires ont observé plusieurs milliers de protons dans l'expérience, ils n'ont pas trouvé les signes révélateurs de la transparence des couleurs dans les nouvelles données.
"Je pense que cela nous dit que le proton est plus compliqué que prévu, " a déclaré Szumila-Vance. "C'est une prédiction fondamentale de la théorie. Nous savons qu'il doit exister à une énergie élevée, mais je ne sais pas encore où cela se produira."
Les chercheurs ont déclaré que la prochaine étape consiste à mieux comprendre le phénomène dans des particules plus simples où il a déjà été observé, afin que des prédictions améliorées puissent être faites pour des particules plus complexes, comme les protons.
