Alors que les protons peuplent le noyau de chaque atome de l'univers, ils peuvent parfois être pressés dans une taille plus petite et glisser hors du noyau pour se défouler d'eux-mêmes. L'observation de ces protons pressés peut offrir des informations uniques sur les particules qui construisent notre univers.

Désormais, les chercheurs à la recherche de ces protons pressés à la Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l'Énergie sont arrivés les mains vides, ce qui suggère que le phénomène est plus que prévu. Le résultat a été récemment publié dans Physical Review Letters.

«Nous cherchions à presser le proton de telle sorte que ses quarks soient dans une configuration de petite taille. Et c'est une chose assez difficile à faire », a déclaré Holly Szumila-Vance, une scientifique du Jefferson Lab.

Les protons sont constitués de trois quarks liés par la force forte. Dans un proton ordinaire, la force forte est si forte qu'elle s'échappe, faisant adhérer le proton à d'autres protons et neutrons autour de lui dans le noyau. C'est selon la chromodynamique quantique, ou QCD, la théorie qui décrit comment les quarks et la force forte interagissent. En QCD, la force forte est également appelée force de couleur.

Cependant, la QCD prédit également que le proton peut être pressé de telle sorte que les quarks deviennent plus étroitement tricotés - essentiellement s'enroulant si étroitement dans la force de couleur qu'il ne fuit plus hors du proton. Lorsque cela se produit, le proton ne colle plus aux autres particules et peut se déplacer librement à travers le noyau. Ce phénomène est appelé «transparence des couleurs», car 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», a expliqué Szumila-Vance.

Une expérience antérieure a montré la transparence des couleurs dans des particules plus simples constituées de quarks appelés pions. Là 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 peuvent 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", a déclaré 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 faisceaux d'électrons continus, une installation destinée aux utilisateurs du DOE Office of Science, après sa mise à niveau de 12 GeV. Dans l'expérience, les physiciens nucléaires ont dirigé des électrons de haute énergie du CEBAF dans les noyaux des atomes de carbone. Ils ont ensuite mesuré les électrons sortants et les protons qui en sortaient.

«C'était une expérience passionnante à laquelle participer. Il s'agissait de la première expérience menée dans le hall expérimental C après que nous ayons modernisé le hall pour un fonctionnement à 12 GeV », a déclaré Szumila-Vance. «C'étaient les protons les plus forts mesurés au Jefferson Lab et les protons les plus forts jamais produits par diffusion d'électrons.»

«Aux énergies que nous sondons, le proton est généralement décimé et vous regardez les débris du proton», a expliqué 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 ensemble, se tiennent beaucoup plus étroitement afin 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 de signes révélateurs de transparence des couleurs dans les nouvelles données.

«Je pense que cela nous indique que le proton est plus compliqué que prévu», a déclaré Szumila-Vance. «C'est une prédiction fondamentale de la théorie. Nous savons que cela doit exister à une énergie élevée, mais nous ne savons pas encore où cela se produira.

Les chercheurs ont déclaré que la prochaine étape consiste à mieux comprendre le phénomène dans les particules plus simples là où il a déjà été observé, de sorte que des prévisions améliorées puissent être faites pour des particules plus complexes, telles que les protons.

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Quatre-vingt-dix physiciens nucléaires représentant 27 institutions ont contribué à cette expérience, dont deux étudiants diplômés: Deepak Bhetuwal de l'Université d'État du Mississippi et John Matter de l'Université de Virginie.

Lectures complémentaires

Article scientifique évalué par des pairs: Exclusion de la transparence des couleurs dans le 12C quasi-élastique (e, e'p) jusqu'à Q2 de 14.2 (GeV / c) 2: https: //revues.ap.org /prl /abstrait/10.1103 /PhysRevLett.126.082301

Les pions maigres naviguent à travers le noyau: https: //www.jlab.org /nouvelles/sur la cible/cible-mars-2008 # pions