Le noyau atomique est un endroit occupé. Ses protons et neutrons constitutifs entrent parfois en collision et s'envolent brièvement avec une impulsion élevée avant de se ressaisir comme les deux extrémités d'un élastique étiré. En utilisant une nouvelle technique, les physiciens étudiant ces collisions énergétiques dans les noyaux légers ont découvert quelque chose de surprenant :les protons entrent en collision avec leurs homologues protons et les neutrons avec leurs homologues neutrons plus souvent que prévu.

La découverte a été faite par une équipe internationale de scientifiques qui comprend des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département de l'énergie (Berkeley Lab), utilisant l'installation d'accélérateur à faisceau électronique continu de l'installation nationale d'accélérateur Thomas Jefferson (Jefferson Lab) du DOE en Virginie. Il a été rapporté dans un article publié aujourd'hui dans la revue Nature .

Comprendre ces collisions est important pour interpréter les données d'un large éventail d'expériences de physique étudiant les particules élémentaires. Cela aidera également les physiciens à mieux comprendre la structure des étoiles à neutrons, c'est-à-dire des noyaux effondrés d'étoiles géantes qui comptent parmi les formes de matière les plus denses de l'univers.

John Arrington, un scientifique du Berkeley Lab, est l'un des quatre porte-parole de la collaboration, et Shujie Li, l'auteur principal de l'article, est un post-doctorant du Berkeley Lab. Tous deux font partie de la division des sciences nucléaires du laboratoire de Berkeley.

Les protons et les neutrons, les particules qui composent les noyaux atomiques, sont collectivement appelés nucléons. Dans des expériences précédentes, les physiciens ont étudié les collisions énergétiques de deux nucléons dans une poignée de noyaux allant du carbone (avec 12 nucléons) au plomb (avec 208). Les résultats étaient cohérents :les collisions proton-neutron représentaient près de 95 % de toutes les collisions, les collisions proton-proton et neutron-neutron représentant les 5 % restants.

La nouvelle expérience au Jefferson Lab a étudié les collisions dans deux "noyaux miroirs" avec trois nucléons chacun, et a découvert que les collisions proton-proton et neutron-neutron étaient responsables d'une part beaucoup plus importante du total - environ 20%. "Nous voulions faire une mesure beaucoup plus précise, mais nous ne nous attendions pas à ce qu'elle soit radicalement différente", a déclaré Arrington.

Utiliser une collision pour en étudier une autre

Les noyaux atomiques sont souvent représentés comme des amas serrés de protons et de neutrons collés ensemble, mais ces nucléons sont en fait constamment en orbite les uns autour des autres. "C'est comme le système solaire mais beaucoup plus encombré", a déclaré Arrington. Dans la plupart des noyaux, les nucléons passent environ 20 % de leur vie dans des états excités à impulsion élevée résultant de collisions entre deux nucléons.

Pour étudier ces collisions, les physiciens zappent les noyaux avec des faisceaux d'électrons de haute énergie. En mesurant l'énergie et l'angle de recul d'un électron diffusé, ils peuvent déduire à quelle vitesse le nucléon qu'il a touché devait se déplacer. "C'est comme la différence entre faire rebondir une balle de ping-pong sur un pare-brise mobile ou sur un pare-brise fixe", a déclaré Arrington. Cela leur permet de repérer les événements au cours desquels un électron s'est dispersé sur un proton à impulsion élevée qui est récemment entré en collision avec un autre nucléon.

Dans ces collisions électron-proton, l'électron entrant contient suffisamment d'énergie pour expulser complètement le proton déjà excité du noyau. Cela rompt l'interaction de type élastique qui retient normalement la paire de nucléons excités, de sorte que le deuxième nucléon s'échappe également du noyau.

Dans des études antérieures sur les collisions à deux corps, les physiciens se sont concentrés sur les événements de diffusion au cours desquels ils ont détecté l'électron rebondissant avec les deux nucléons éjectés. En marquant toutes les particules, ils pourraient compter le nombre relatif de paires proton-proton et de paires proton-neutron. Mais de tels événements de "triple coïncidence" sont relativement rares, et l'analyse a nécessité une prise en compte minutieuse des interactions supplémentaires entre les nucléons qui pourraient fausser le comptage.

Les noyaux miroir améliorent la précision

Les auteurs des nouveaux travaux ont trouvé un moyen d'établir le nombre relatif de paires proton-proton et proton-neutron sans détecter les nucléons éjectés. L'astuce consistait à mesurer la diffusion de deux "noyaux miroirs" avec le même nombre de nucléons :le tritium, un isotope rare de l'hydrogène avec un seul proton et deux neutrons, et l'hélium-3, qui a deux protons et un seul neutron. L'hélium-3 ressemble au tritium avec des protons et des neutrons échangés, et cette symétrie a permis aux physiciens de distinguer les collisions impliquant des protons de celles impliquant des neutrons en comparant leurs deux ensembles de données.

L'effort de noyau miroir a commencé après que les physiciens du Jefferson Lab aient prévu de développer une cellule à gaz de tritium pour des expériences de diffusion d'électrons - la première utilisation de cet isotope rare et capricieux depuis des décennies. Arrington et ses collaborateurs ont vu une occasion unique d'étudier d'une nouvelle manière les collisions à deux corps à l'intérieur du noyau.

La nouvelle expérience a pu recueillir beaucoup plus de données que les expériences précédentes car l'analyse ne nécessitait pas d'événements rares de triple coïncidence. Cela a permis à l'équipe d'améliorer la précision des mesures précédentes d'un facteur dix. Ils n'avaient aucune raison de s'attendre à ce que les collisions de deux nucléons fonctionnent différemment dans le tritium et l'hélium-3 que dans les noyaux plus lourds. Les résultats ont donc été assez surprenants.

Les mystères de la force forte demeurent

La force nucléaire forte est bien comprise au niveau le plus fondamental, où elle régit les particules subatomiques appelées quarks et gluons. Mais malgré ces bases solides, les interactions des particules composites comme les nucléons sont très difficiles à calculer. Ces détails sont importants pour l'analyse des données dans les expériences à haute énergie étudiant les quarks, les gluons et d'autres particules élémentaires comme les neutrinos. Ils sont également pertinents pour la façon dont les nucléons interagissent dans les conditions extrêmes qui prévalent dans les étoiles à neutrons.

Arrington a une idée de ce qui pourrait se passer. Le processus de diffusion dominant à l'intérieur des noyaux ne se produit que pour les paires proton-neutron. Mais l'importance de ce processus par rapport à d'autres types de diffusion qui ne distinguent pas les protons des neutrons peut dépendre de la séparation moyenne entre les nucléons, qui a tendance à être plus grande dans les noyaux légers comme l'hélium-3 que dans les noyaux plus lourds.

D'autres mesures utilisant d'autres noyaux légers seront nécessaires pour tester cette hypothèse. "Il est clair que l'hélium-3 est différent de la poignée de noyaux lourds qui ont été mesurés", a déclaré Arrington. "Maintenant, nous voulons faire pression pour des mesures plus précises sur d'autres noyaux légers afin d'obtenir une réponse définitive." + Explorer plus loin

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