Il y a vingt ans, les physiciens ont commencé à étudier la mystérieuse asymétrie de la structure interne du proton. Les résultats de leurs travaux, publiés fin février 2021, expliquent comment l'antimatière aide à stabiliser le noyau de chaque atome.
Il est très rarement mentionné que les protons - les particules chargées positivement au centre d'un atome - sont en partie de l'antimatière.
À l'école, on nous a dit qu'un proton est un groupe de trois particules élémentaires appelées quarks - deux u-quarks (up) et un d-quark (down), dont les charges électriques +2/3 et -1/3, respectivement, additionnez le proton a une charge de +1. Mais derrière cette image élémentaire se cache une histoire beaucoup plus étrange et encore non résolue.
De loin, il semble que le proton soit constitué de trois particules appelées quarks. Mais si vous regardez de plus près, vous pouvez voir beaucoup de particules apparaître et disparaître.En
fait, un vortex d'un nombre changeant de six types de quarks, leurs homologues de charge opposée de l'antimatière (antiquarks) et des gluons, particules élémentaires sans masse qui lient d'autres particules entre elles, se transforment à l'intérieur du proton en elles et se multiplient rapidement. D'une manière ou d'une autre, ce vortex bouillonnant se révèle être complètement stable et apparemment simple, imitant à certains égards un trio de quarks. «La façon dont tout fonctionne, franchement, ressemble à un miracle», a déclaré Donald Gisaman , physicien nucléaire au Laboratoire national d'Argonne dans l'Illinois.
Il y a trente ans, les chercheurs ont découvert une propriété frappante de cette «mer de protons». Les théoriciens s'attendaient à ce que différents types d'antimatière y soient répartis uniformément, mais il semblait que le nombre d'anitquarks inférieurs dépassait considérablement le nombre d'antiquarks supérieurs. Puis, dix ans plus tard, un autre groupe de chercheurs a remarqué des indices de variations inexplicables dans le rapport des antiquarks supérieurs et inférieurs. Mais ces résultats étaient à la limite de la sensibilité de l'expérience.
Il y a donc 20 ans, Donald Gisaman et son collègue Paul Rymer ont commencé à travailler sur une nouvelle expérience pour mieux comprendre ce problème. L'expérience, baptisée SeaQuest, est enfin terminée et les chercheurs l'ont publiée résultats dans la revue Nature. Ils ont mesuré l'antimatière intrinsèque du proton plus minutieusement que jamais et ont constaté que pour chaque antiquark supérieur, il y avait en moyenne 1,4 antiquarks inférieurs.
Samuel Velasco / Quanta Magazine
Ces données soutiennent directement deux modèles théoriques de la mer de protons. «Il s'agit de la première véritable preuve à l'appui de ces modèles», a déclaré Reimer.
L'un, le modèle de nuage de pions, est une approche populaire qui existe depuis des décennies et qui met l'accent sur la tendance du proton à émettre et à réabsorber des particules appelées pions, qui appartiennent à un groupe de particules appelées mésons. Le second, le soi-disant modèle statistique , considère le proton comme un récipient rempli de gaz.
D'autres expériences prévues aideront les chercheurs à choisir l'un de ces deux modèles. Mais quoi qu'il en soit, le jeu de données d'antimatière intrinsèque proton SeaQuest sera d'un avantage immédiat, en particulier pour les physiciens qui heurtent des protons à des vitesses proches de la lumière au grand collisionneur de hadrons. Avec des informations précises sur la composition des objets en collision, ils pourront démonter plus efficacement les produits laissés après la collision à la recherche de preuves de l'existence de nouvelles particules ou d'effets. Juan Rojo de l'Université libre d'Amsterdam, qui aide à l'analyse des données du LHC, estime que les résultats de l'expérience SeaQuest pourraient avoir un impact important sur la recherche d'une nouvelle physique, qui est actuellement "limitée par notre connaissance de la structure du proton, en particulier sur son antimatière. "
Le troisième n'est pas superflu
Pendant une courte période, il y a environ un demi-siècle, les physiciens pensaient avoir traité du proton.
En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig proposèrent indépendamment un modèle qui devint plus tard quark : l'idée était que les protons, les neutrons et leurs particules plus rares associées sont des faisceaux de trois quarks (comme on les appelaitGell-Mann), et les pions et autres mésons sont composés d'un quark et d'un antiquark. Ce schéma expliquait la cacophonie des particules volant à partir d'accélérateurs de particules à haute énergie, puisque le spectre de leurs charges pouvait être construit à partir de combinaisons en deux et trois parties. Puis, vers 1970, des chercheurs du Stanford Linear Accelerator (SLAC) ont semblé confirmer le modèle des quarks: en tirant des électrons à grande vitesse sur des protons, ils ont vu des électrons rebondir sur des objets à l'intérieur.
Mais l'image est vite devenue moins claire. «Alors que nous nous efforcions de mesurer les propriétés de ces trois quarks, nous avons découvert qu'il se passait quelque chose d'autre», a déclaré Chuck Brown, un membre de l'équipe SeaQuest de 80 ans au National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (Fermilab), qui travaille sur des expériences sur les quarks depuis les années 1970.
L'étude de la quantité de mouvement de trois quarks a montré que leurs masses constituent une petite partie de la masse totale du proton. De plus, lorsque les chercheurs du SLAC tiraient des électrons à des vitesses plus élevées sur des protons, ils ont vu que les électrons repoussaient plus de particules à l'intérieur. Plus les électrons sont rapides, plus leur longueur d'onde est courte, ce qui les rend sensibles aux éléments les plus fins du proton; c'est comme augmenter la résolution d'un microscope. De plus en plus de particules internes ont été découvertes, ce qui semblait sans fin. «Nous ne savons pas où se situe la limite et quelle résolution la plus élevée peut être obtenue», a déclaré Gisaman.
Les résultats ont commencé à avoir plus de sens lorsque les physiciens ont développé une véritable théorie selon laquelle le modèle des quarks ne fait que se rapprocher: la chromodynamique quantique, ou QCD. La QCD, formulée en 1973, décrit la «force forte», la plus grande force de la nature par laquelle des particules appelées gluons lient des faisceaux de quarks.
QCD prédit le même vortex qui a été révélé dans les expériences de diffusion. Des difficultés surviennent du fait que les gluons ressentent la force même qu'ils transportent. C'est ainsi qu'ils diffèrent des photons, qui transportent une force électromagnétique plus simple. Cet "arbitraire" crée un désordre à l'intérieur du proton, donnant aux gluons une totale liberté d'action pour l'émergence, la multiplication et la division en paires à court terme de quarks et d'antiquarks. En s'équilibrant, ces quarks et antiquarks de charge opposée étroitement espacés passent inaperçus de loin. Seuls trois quarks de «valence» déséquilibrés - deux vers le haut et vers le bas - constituent la charge totale du proton. Mais les physiciens ont réalisé qu'en tirant des électrons à des vitesses plus élevées, ils atteignaient des cibles plus petites.
Cependant, les bizarreries ne se sont pas arrêtées là.
En raison de l'arbitraire des gluons, les équations QCD ne peuvent pas être résolues; par conséquent, les physiciens ont échoué et ne peuvent toujours pas calculer des prédictions précises de la théorie. Mais ils n'avaient aucune raison de supposer que les gluons se diviseraient plus souvent en un type de paire quark-antiquark (à savoir, le plus bas) que dans un autre. «Nous nous attendions à ce qu'un nombre égal des deux paires apparaisse», a déclaré Mary Ahlberg , une théoricienne du nucléaire à l'Université de Seattle, expliquant son raisonnement à l'époque.
Mary Ahlberg, physicienne nucléaire à l'Université de Seattle, et ses co-auteurs soutiennent depuis longtemps que le pion joue un rôle important dans la formation de l'essence du proton.
Photo gracieuseté de l'Université de Seattle
C'est pourquoi les chercheurs de la New Muon Collaboration à Genève ont été si choqués par les résultats de l'expérience de diffusion de muons. En 1991. Ils ont heurté des muons (les parents les plus lourds des électrons) avec des protons et des deutons, constitués d'un proton et d'un neutron, ont comparé les résultats et ont conclu qu'il y avait plus d'antiquarks inférieurs dans la mer de protons que d'antiquarks supérieurs.
Parties d'un proton
Bientôt, les théoriciens ont proposé plusieurs explications possibles de l'asymétrie du proton.
L'un d'eux est associé à une pivoine. Depuis les années 1940, les physiciens regardent les protons et les neutrons échanger des pions à l'intérieur des noyaux atomiques, comme des joueurs d'une équipe se lançant des ballons de basket pour les garder ensemble. En réfléchissant à la structure du proton, les chercheurs sont arrivés à la conclusion qu'il peut également se lancer un ballon de basket, c'est-à-dire qu'il peut brièvement émettre un pion chargé positivement, se transformer en neutron pendant cette fois, puis le réabsorber. "Si, au cours d'une expérience, vous pensez que vous regardez un proton, vous ne l'êtes pas, car pendant un certain temps, ce proton passera à l'état d'une paire neutron-pion", a déclaré Ahlberg.
Plus précisément, un proton se transforme en neutron et en pion, consistant en un quark up et un antiquark down. Parce que cette pivoine fantomatique a un antiquark inférieur (une pivoine avec un antiquark supérieur ne peut pas se matérialiser si facilement), des théoriciens tels que Ahlberg, Gerald Miller et Tony Thomas ont fait valoir que le modèle de nuage de pions explique le plus grand nombre d'antiquarks à protons inférieurs détectés par les mesures. .
Samuel Velasco / Quanta Magazine
D'autres arguments sont également apparus. Claude Burrely et ses collègues de France ont développé un modèle statistique qui considère les particules internes d'un proton comme des molécules de gaz dans une pièce, se déplaçant de manière chaotique à des vitesses différentes, qui dépendent de si la particule a un moment angulaire entier ou demi-entier. Lorsqu'il était ajusté avec les données de nombreuses expériences de diffusion, le modèle supposait une prédominance d'antiquarks.
Les prédictions des deux modèles susmentionnés n'étaient pas identiques. La majeure partie de la masse totale d'un proton est constituée des énergies de particules individuelles qui pénètrent et sortent de la mer de protons, et ces particules transportent des énergies différentes. Les modèles ont prédit différemment comment le rapport des antiquarks hauts et bas devrait changer à mesure qu'ils comptent les antiquarks qui transportent plus d'énergie. Les physiciens mesurent une quantité connexe appelée fraction d'élan d'antiquark.
Quand les chercheurs du Fermilab en 1999 dans le cadre de l'expérience NuSea ont mesuréle rapport des antiquarks supérieurs et inférieurs en fonction de l'élan d'antiquark, le résultat de leur travail a simplement inspiré tout le monde, se souvient Ahlberg. Ces données indiquent que parmi les antiquarks avec un grand élan (si grand qu'ils étaient sur le bord de la plage de détection de l'instrument), il y avait soudainement plus d'antiquarks supérieurs que d'antiquaires inférieurs. "Chaque théoricien a dit:" Attendez une minute ", a déclaré Ahlberg." Pourquoi la courbe s'est-elle déroulée alors que ces antiquarks ont pris beaucoup d'élan? "
Alors que les théoriciens se creusaient la cervelle sur cette question, Gisaman et Reimer, qui travaillaient sur l'expérience NuSea et savaient qu'il ne fallait parfois pas faire confiance aux données sur le bord du gouffre, ont décidé de construire une expérience où il serait possible d'étudier un plus large éventail de antiquark impulsions dans des conditions confortables. Ils l'ont nommé SeaQuest.
De ce qui était
Avec un tas de questions sur le proton, mais sans argent, ils ont commencé à assembler une expérience à partir des pièces utilisées. «Notre devise était: réduire les déchets, réutiliser, recycler», a déclaré Reimer.
Ils ont acheté plusieurs vieux scintillateurs au laboratoire de Hambourg, les détecteurs de particules restants au Los Alamos National Laboratory et les plaques de fer bloquant les radiations qui étaient à l'origine utilisées dans le cyclotron de l'Université de Columbia dans les années 1950. Ils ont pu utiliser l'aimant de la taille d'une pièce utilisé dans l'expérience NuSea et mener leur nouvelle expérience à l'accélérateur de protons du Laboratoire Fermi. Le "Frankenstein" résultant de ces détails, cependant, n'était pas dépourvu de son charme. Selon Brown, qui a aidé à trouver toutes les pièces, l'indicateur sonore signalant que les protons entrent dans l'appareil a été fabriqué il y a 50 ans: "Quand il émet un bip, il devient chaud dans l'âme."
Le physicien nucléaire Paul Rymer (en haut) avec le dispositif d'expérimentation SeaQuest
Une expérience au Fermilab, construite principalement à partir de pièces usagées
, enfin, ils l'ont lancée. Dans l'expérience, les protons ont atteint deux cibles: une bulle d'hydrogène, qui est essentiellement un proton, et une bulle de deutérium, dont le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron.
Lorsqu'il atteint l'une des deux cibles, l'un des quarks de valence du proton s'annihile parfois avec l'un des antiquarks du proton ou du neutron de la cible. "Annihilation a une signature unique et produit des muons et des anti-muons", a déclaré Rymer. Ces particules, ainsi que d'autres «débris» de la collision, s'écrasent alors sur les anciennes plaques de fer. «Les muons peuvent les traverser et toutes les autres particules sont bloquées», a-t-il déclaré. En détectant les muons à l'arrière des plaques et en restaurant leurs trajectoires et vitesses d'origine, «vous pouvez reconstruire la chronologie des événements pour découvrir quelle fraction de l'élan est portée par les antiquarks».
Puisque les protons et les neutrons se reflètent l'un l'autre, où l'un a des particules du type supérieur, l'autre a des particules du type inférieur, et vice versa. En comparant les données des deux bulles, on peut voir immédiatement le rapport des antiquarks supérieurs aux antiquarks inférieurs dans le proton, mais cela, bien sûr, a été précédé de 20 ans de travail.
En 2019, Ahlberg et Miller ont calculé les résultats de l'expérience SeaQuest sur la base du modèle de nuage de pions . Leurs prévisions sont conformes aux nouvelles données de SeaQuest.
De nouvelles données qui montrent une augmentation progressive puis un plateau du rapport entre les antiquarks inférieurs et supérieurs, plutôt qu'un renversement soudain, coïncident également avec les résultats d'un modèle statistique plus flexible.développé par Burrely et ses collègues. Pourtant, Miller appelle ce modèle concurrent «descriptif, non prédictif», car il est réglé pour s'adapter aux données plutôt que pour susciter un mécanisme physique qui explique la domination des antiquarks. «Et dans nos calculs, je suis fier du fait qu'ils représentent une véritable prévision», a déclaré Ahlberg. "Nous n'avons modifié aucun paramètre au préalable."
Dans un courriel, Burrely a fait valoir que «le modèle statistique est plus puissant que le modèle Alberg et Miller» car il prend en compte les expériences de diffusion avec des particules polarisées et non polarisées. Miller était fortement en désaccord, notant que le modèle du nuage de pions explique non seulement la composition en antimatière du proton, mais aussi les moments magnétiques de diverses particules, la distribution des charges et les temps de décroissance, ainsi que "la liaison et donc l'existence de tous les noyaux . " Il a ajouté que le mécanisme des pions «est important au sens large pour des questions telles que« Pourquoi y a-t-il des noyaux? Pourquoi existons-nous? "
Dans la quête ultime pour comprendre le proton, le spin ou le moment angulaire intrinsèque peut être le facteur décisif. Une expérience de diffusion de muons à la fin des années 80 a montréque les spins des trois quarks de valence du proton ne représentent pas plus de 30% du spin total du proton. La "crise du spin des protons" peut être exprimée par la question suivante: "Que composent les 70% restants?" Et comme l'explorateur chevronné Chuck Brown, un vétéran du Laboratoire Fermi, l'a répété: "Il doit y avoir autre chose."
Les expérimentateurs étudieront le spin de la mer de protons au Laboratoire Fermi, puis au collisionneur électron-ion projeté au Brookhaven National Laboratory. Ahlberg et Miller travaillent déjà sur les calculs d'un "nuage de mésons" complet entourant les protons, qui, en plus des pions, comprend les "mésons rho" plus rares. Contrairement aux pions, les mésons ro ont un spin, ils doivent donc influencer d'une manière ou d'une autre le spin total du proton, qu'Ahlberg et Miller espèrent déterminer.
L'expérience SpinQuest de Fermilab , qui implique de nombreux chercheurs SeaQuest et utilise les détails de cette expérience, est presque prête à démarrer , a déclaré Brown . «Avec de la chance, nous obtiendrons les données ce printemps; cela dépendra, au moins en partie, des progrès réalisés dans la mise au point d'un vaccin contre le virus. C'est drôle que la solution à un problème aussi profond et incompréhensible de la structure interne du noyau dépende de la situation avec le virus COVID dans le pays. Tout dans le monde est interconnecté, n'est-ce pas? "