Le proton est une particule composite composée d'éléments constitutifs fondamentaux de quarks et de gluons. Ces composants et leurs interactions déterminent la structure du proton, y compris ses charges électriques et ses courants. Cette structure se déforme lorsqu'elle est exposée à des champs électriques et magnétiques (EM) externes, un phénomène connu sous le nom de polarisabilité. Les polarisabilités EM sont une mesure de la rigidité contre la déformation induite par les champs EM. En mesurant les polarisabilités EM, les scientifiques découvrent la structure interne du proton.

Ces connaissances permettent de valider la compréhension scientifique de la formation des nucléons (protons et neutrons) en comparant les résultats aux descriptions théoriques de la diffusion des rayons gamma par les nucléons. Les scientifiques appellent ce processus de diffusion la diffusion Compton du nucléon.

Lorsque les scientifiques examinent le proton à une distance et à une échelle où les réponses EM dominent, ils peuvent déterminer les valeurs des polarisabilités EM avec une grande précision. Pour ce faire, ils utilisent le cadre théorique des théories effectives des champs (EFT). Les EFT promettent de faire correspondre la description de la structure du nucléon aux basses énergies à la théorie actuelle de la force nucléaire forte, appelée chromodynamique quantique (QCD). Dans cette recherche, les scientifiques ont validé les EFT en utilisant la diffusion Proton Compton. Cette approche a également validé le cadre et la méthodologie qui sous-tendent les TEF.

La diffusion Proton Compton est le processus par lequel les scientifiques diffusent des rayons gamma polarisés circulairement ou linéairement à partir d'une cible d'hydrogène (dans ce cas, une cible liquide), puis mesurent la distribution angulaire des rayons gamma diffusés. Les rayons gamma à haute énergie transportent des champs électromagnétiques suffisamment puissants pour que la réponse des charges et des courants dans le nucléon devienne significative.

Dans cette étude, désormais publiée dans Physical Review Letters , les scientifiques ont effectué de nouvelles mesures de la diffusion Compton du proton à la source de rayons gamma à haute intensité (HIGS) du laboratoire nucléaire des universités Triangle. Ce travail a fourni une nouvelle approche expérimentale pour la diffusion Compton du proton à basse énergie en utilisant des rayons gamma polarisés. L'étude fait progresser le besoin de nouvelles mesures de haute précision à HIGS pour améliorer la précision des déterminations des polarisabilités des protons et des neutrons. Ces mesures valident les théories qui lient la description à basse énergie des nucléons à la QCD.