Les physiciens ont commencé à explorer le proton comme s’il s’agissait d’une planète subatomique. Les cartes en coupe affichent de nouveaux détails de l'intérieur de la particule. Le noyau du proton présente des pressions plus intenses que dans toute autre forme connue de matière. À mi-chemin de la surface, des tourbillons de force s’affrontent les uns contre les autres. Et la « planète » dans son ensemble est plus petite que ne le suggéraient les expériences précédentes.

Les recherches expérimentales marquent la prochaine étape dans la quête visant à comprendre la particule qui ancre chaque atome et constitue la majeure partie de notre monde.

"Nous y voyons vraiment l'ouverture d'une direction complètement nouvelle qui changera notre façon de considérer la structure fondamentale de la matière", a déclaré Latifa Elouadrhiri, physicien au Thomas Jefferson National Accelerator Facility à Newport News, en Virginie, qui participe à cet effort.

Les expériences jettent littéralement un nouvel éclairage sur le proton. Au fil des décennies, les chercheurs ont méticuleusement cartographié l’influence électromagnétique de la particule chargée positivement. Mais dans la nouvelle recherche, les physiciens du Jefferson Lab cartographient plutôt l'influence gravitationnelle du proton, à savoir la répartition des énergies, des pressions et des contraintes de cisaillement, qui courbent le tissu espace-temps dans et autour de la particule. Pour ce faire, les chercheurs exploitent une manière particulière par laquelle des paires de photons, des particules de lumière, peuvent imiter un graviton, la particule supposée qui transmet la force de gravité. En envoyant un ping au proton avec des photons, ils déduisent indirectement comment la gravité interagirait avec lui, réalisant ainsi un rêve vieux de plusieurs décennies consistant à interroger le proton de cette manière alternative.

«C'est un tour de force», a déclaré Cédric Lorcé, physicien à l'Ecole Polytechnique en France qui n'a pas participé aux travaux. "Expérimentalement, c'est extrêmement compliqué." 

Des photons aux gravitons

Les physiciens ont appris énormément sur le proton au cours des 70 dernières années en le frappant à plusieurs reprises avec des électrons. Ils savent que sa charge électrique s’étend sur environ 0.8 femtomètre, ou quadrillionièmes de mètre, à partir de son centre. Ils savent que les électrons entrants ont tendance à être projetés sur l’un des trois quarks – des particules élémentaires avec des fractions de charge – qui bourdonnent à l’intérieur. Ils ont également observé la conséquence profondément étrange de la théorie quantique selon laquelle, lors de collisions plus violentes, les électrons semblent se disperser. rencontrer une mer mousseuse composé de bien plus de quarks ainsi que de gluons, porteurs de la force dite forte, qui lie les quarks entre eux.

Toutes ces informations proviennent d’une seule configuration : vous lancez un électron sur un proton, et les particules échangent un seul photon – le porteur de la force électromagnétique – et se repoussent. Cette interaction électromagnétique indique aux physiciens comment les quarks, en tant qu'objets chargés, ont tendance à s'organiser. Mais le proton a bien plus à offrir que sa charge électrique.

« Comment la matière et l'énergie sont-elles distribuées ? » demandé Pierre Schweitzer, physicien théoricien à l'Université du Connecticut. "Nous ne savons pas."

Schweitzer a passé la majeure partie de sa carrière à réfléchir au côté gravitationnel du proton. Plus précisément, il s'intéresse à une matrice de propriétés du proton appelée tenseur énergie-impulsion. "Le tenseur énergie-impulsion sait tout ce qu'il y a à savoir sur la particule", a-t-il déclaré.

Dans la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, qui présente l'attraction gravitationnelle comme des objets suivant des courbes dans l'espace-temps, le tenseur énergie-impulsion indique à l'espace-temps comment se plier. Il décrit, par exemple, la disposition de l'énergie (ou, de manière équivalente, de la masse) – la source de la part du lion de la torsion de l'espace-temps. Il suit également les informations sur la façon dont l'élan est distribué, ainsi que sur les endroits où il y aura compression ou expansion, ce qui peut également légèrement courber l'espace-temps.

Si nous pouvions apprendre la forme de l'espace-temps entourant un proton, Russe ainsi que Américaine Les physiciens ont travaillé indépendamment dans les années 1960, nous avons pu déduire toutes les propriétés indexées dans son tenseur énergie-impulsion. Ceux-ci incluent la masse et le spin du proton, qui sont déjà connus, ainsi que l'arrangement des pressions et des forces du proton, une propriété collective que les physiciens appellent le « terme Druck », d'après le mot pour pression en allemand. Ce terme est « aussi important que la masse et la rotation, et personne ne sait ce que c'est », a déclaré Schweitzer – même si cela commence à changer.

Dans les années 60, il semblait que mesurer le tenseur énergie-impulsion et calculer le terme de Druck nécessiterait une version gravitationnelle de l'expérience de diffusion habituelle : vous tirez une particule massive sur un proton et laissez les deux échanger un graviton - la particule hypothétique. cela constitue des ondes gravitationnelles – plutôt qu’un photon. Mais en raison de l’extrême faiblesse de la gravité, les physiciens s’attendent à ce que la diffusion des gravitons se produise 39 ordres de grandeur plus rarement que la diffusion des photons. Les expériences ne peuvent pas détecter un effet aussi faible.

«Je me souviens d'avoir lu cela lorsque j'étais étudiant», a déclaré Volker Burkert, membre de l'équipe du Jefferson Lab. Ce qu’il faut retenir, c’est que « nous ne pourrons probablement jamais rien apprendre sur les propriétés mécaniques des particules ».

Gravité sans gravité

Les expériences gravitationnelles sont encore inimaginables aujourd’hui. Mais les recherches menées à la fin des années 1990 et au début des années 2000 par les physiciens Xiangdong Ji et, travaillant séparément, par feu Maxim Polyakov révélé a solution de contournement.

Le schéma général est le suivant. Lorsque vous tirez légèrement un électron sur un proton, il délivre généralement un photon à l'un des quarks et le détourne. Mais dans moins d’un événement sur un milliard, quelque chose de spécial se produit. L’électron entrant envoie un photon. Un quark l'absorbe puis émet un autre photon un battement de cœur plus tard. La principale différence est que cet événement rare implique deux photons au lieu d’un : des photons entrants et sortants. Les calculs de Ji et Polyakov ont montré que si les expérimentateurs pouvaient collecter les électrons, protons et photons résultants, ils pourraient déduire des énergies et des impulsions de ces particules ce qui s'est passé avec les deux photons. Et cette expérience à deux photons serait essentiellement aussi informative que l’impossible expérience de diffusion de gravitons.

Comment deux photons pourraient-ils savoir quoi que ce soit sur la gravité ? La réponse implique des mathématiques épouvantables. Mais les physiciens proposent deux façons de comprendre pourquoi cette astuce fonctionne.

Les photons sont des ondulations dans le champ électromagnétique, qui peuvent être décrites par une seule flèche, ou vecteur, à chaque emplacement de l'espace indiquant la valeur et la direction du champ. Les gravitons seraient des ondulations dans la géométrie de l’espace-temps, un domaine plus complexe représenté par une combinaison de deux vecteurs en chaque point. Capturer un graviton donnerait aux physiciens deux vecteurs d’informations. En dehors de cela, deux photons peuvent remplacer un graviton, puisqu’ils transportent également collectivement deux vecteurs d’information.

Une interprétation alternative des mathématiques est la suivante. Pendant le moment qui s'écoule entre le moment où un quark absorbe le premier photon et celui où il émet le second, le quark suit un chemin à travers l'espace. En sondant ce chemin, nous pouvons en apprendre davantage sur des propriétés telles que les pressions et les forces qui entourent le chemin.

"Nous ne faisons pas d'expérience gravitationnelle", a déclaré Lorcé. Mais « nous devrions obtenir un accès indirect à la manière dont un proton devrait interagir avec un graviton ». 

Sonder la planète Proton

Les physiciens du Jefferson Lab ont rassemblé quelques événements de diffusion à deux photons en 2000. Cette preuve de concept les a motivés à construire une nouvelle expérience et, en 2007, ils ont brisé des électrons en protons suffisamment de fois pour accumuler environ 500,000 XNUMX collisions imitant les gravitons. L’analyse des données expérimentales a pris encore une décennie.

De leur index des propriétés de flexion de l'espace-temps, l'équipe a extrait le terme insaisissable de Druck, publiant leur estimation des pressions internes du proton dans Nature dès 2018.

Ils ont découvert qu’au cœur du proton, la force puissante génère des pressions d’une intensité inimaginable : 100 milliards de milliards de milliards de pascals, soit environ 10 fois la pression au cœur d’une étoile à neutrons. Plus loin du centre, la pression chute et finit par se retourner vers l'intérieur, comme cela est nécessaire pour que le proton ne se brise pas. "Cela résulte de l'expérience", a déclaré Burkert. "Oui, un proton est réellement stable." (Cette constatation n'a aucune incidence sur si les protons se désintègrent, cependant, ce qui implique un type différent d’instabilité prédit par certaines théories spéculatives.)

Le groupe Jefferson Lab a continué à analyser le terme Druck. Ils ont publié une estimation des forces de cisaillement (forces internes poussant parallèlement à la surface du proton) dans le cadre d'une étude publié en décembre. Les physiciens ont découvert que près de son noyau, le proton subit une force de torsion qui est neutralisée par une torsion dans l’autre sens plus près de la surface. Ces mesures soulignent également la stabilité de la particule. Les rebondissements étaient attendus sur la base des travaux théoriques de Schweitzer et Polyakov. "Néanmoins, le voir émerger de l'expérience pour la première fois est vraiment stupéfiant", a déclaré Elouadrhiri.

Ils utilisent désormais ces outils pour calculer la taille du proton d'une nouvelle manière. Dans les expériences de diffusion traditionnelles, les physiciens avaient observé que la charge électrique de la particule s'étendait à environ 0.8 femtomètre de son centre (c'est-à-dire que les quarks qui la composent bourdonnent dans cette région). Mais ce « rayon de charge » présente quelques bizarreries. Dans le cas du neutron, par exemple — l'équivalent neutre du proton, dans lequel deux quarks chargés négativement ont tendance à rester profondément à l'intérieur de la particule tandis qu'un quark chargé positivement passe plus de temps près de la surface — le rayon de charge apparaît comme un nombre négatif. . « Cela ne veut pas dire que la taille est négative ; ce n'est tout simplement pas une mesure fidèle », a déclaré Schweitzer.

La nouvelle approche mesure la région de l’espace-temps considérablement courbée par le proton. Dans une prépublication qui n'a pas encore été évaluée par des pairs, l'équipe du Jefferson Lab a calculé que ce rayon pourrait être environ 25% plus petit que le rayon de charge, seulement 0.6 femtomètre.

Les limites de la planète Proton

D'un point de vue conceptuel, ce type d'analyse adoucit la danse floue des quarks pour en faire un objet solide, semblable à une planète, avec des pressions et des forces agissant sur chaque point de volume. Cette planète gelée ne reflète pas pleinement le rauque proton dans toute sa splendeur quantique, mais c'est un modèle utile. "C'est une interprétation", a déclaré Schweitzer.

Et les physiciens soulignent que les cartes initiales sont approximatives, pour plusieurs raisons.

Premièrement, mesurer avec précision le tenseur énergie-impulsion nécessiterait des énergies de collision beaucoup plus élevées que celles que Jefferson Lab peut produire. L’équipe a travaillé dur pour extrapoler soigneusement les tendances à partir des énergies relativement faibles auxquelles elles peuvent accéder, mais les physiciens ne sont toujours pas sûrs de la précision de ces extrapolations.

De plus, le proton est plus que ses quarks ; il contient également des gluons, qui se déplacent sous leurs propres pressions et forces. L'astuce à deux photons ne peut pas détecter les effets des gluons. Une autre équipe du Jefferson Lab a utilisé une astuce analogue (impliquant une interaction double-gluon) pour publier une carte gravitationnelle préliminaire de ces effets de gluons dans Nature année dernière, mais il était également basé sur des données limitées et à faible consommation d'énergie.

"C'est une première étape", a déclaré Yoshitaka Hatta, physicien au Brookhaven National Laboratory qui a eu l'idée de commencer à étudier le proton gravitationnel après les travaux du groupe Jefferson Lab en 2018.

Des cartes gravitationnelles plus précises des quarks du proton et de ses gluons pourraient être disponibles dans les années 2030, lorsque le collisionneur électron-ion, une expérience actuellement en construction à Brookhaven, entrera en activité.

Pendant ce temps, les physiciens poursuivent leurs expériences numériques. Phiala Shanahan, physicien nucléaire et des particules au Massachusetts Institute of Technology, dirige une équipe qui calcule le comportement des quarks et des gluons à partir des équations de la force forte. En 2019, elle et ses collaborateurs estimé les pressions et les forces de cisaillement, et en octobre, ils estimé le rayon, entre autres propriétés. Jusqu’à présent, leurs découvertes numériques correspondent largement aux découvertes physiques du Jefferson Lab. "Je suis certainement très enthousiasmé par la cohérence entre les résultats expérimentaux récents et nos données", a déclaré Shanahan.

Même les aperçus flous du proton obtenus jusqu'à présent ont légèrement remodelé la compréhension des chercheurs sur la particule.

Certaines conséquences sont pratiques. Au CERN, l'organisation européenne qui gère le Grand collisionneur de hadrons, le plus grand broyeur de protons au monde, les physiciens pensaient auparavant que dans certaines collisions rares, les quarks pouvaient se trouver n'importe où dans les protons en collision. Mais les cartes inspirées par la gravitation suggèrent que les quarks ont tendance à rester près du centre dans de tels cas.

"Les modèles utilisés au CERN ont déjà été mis à jour", a déclaré François-Xavier Girod, physicien du Jefferson Lab qui a travaillé sur les expériences.

Les nouvelles cartes pourraient également offrir des conseils pour résoudre l’un des mystères les plus profonds du proton : pourquoi les quarks se lient en protons. Il existe un argument intuitif selon lequel, comme la force puissante entre chaque paire de quarks s'intensifie à mesure qu'ils s'éloignent, comme un élastique, les quarks ne peuvent jamais échapper à leurs camarades.

Mais les protons sont fabriqués à partir des membres les plus légers de la famille des quarks. Et les quarks légers peuvent également être considérés comme de longues ondes s'étendant au-delà de la surface du proton. Cette image suggère que la liaison du proton pourrait se produire non pas par la traction interne de bandes élastiques, mais par une interaction externe entre ces quarks ondulés et étirés. La carte de pression montre l’attraction de la force forte s’étendant jusqu’à 1.4 femtomètres et au-delà, renforçant ainsi l’argument en faveur de ces théories alternatives.

"Ce n'est pas une réponse définitive", a déclaré Girod, "mais cela indique que ces simples images avec des bandes élastiques ne sont pas pertinentes pour les quarks légers."