Les physiciens « brillent » la lumière sur les détails internes et la rupture d’un noyau simple

Les scientifiques ont trouvé une nouvelle façon de « voir » à l’intérieur des noyaux atomiques les plus simples pour mieux comprendre la « colle » qui maintient ensemble les éléments constitutifs de la matière. Les résultats, qui viennent d’être publiés dans Lettres d’examen physiqueproviennent de collisions de photons (particules de lumière) avec des deutérons, les noyaux atomiques les plus simples (constitués d’un seul proton lié à un neutron).

Les collisions ont eu lieu au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département américain de l’énergie (DOE) pour la recherche en physique nucléaire au Laboratoire national de Brookhaven du DOE. Des scientifiques du monde entier analysent les données des collisions subatomiques du RHIC pour mieux comprendre les particules et les forces qui constituent la matière visible de notre monde.

Dans ces collisions particulières, les photons ont agi un peu comme un faisceau de rayons X pour fournir le premier aperçu de la façon dont les particules appelées gluons sont disposées dans le deutéron.

« Le gluon est très mystérieux », a déclaré Zhoudunming Tu, physicien du laboratoire de Brookhaven, qui a dirigé ce projet pour la collaboration STAR du RHIC. Les gluons, en tant que « porteurs » de la force forte*, sont la colle qui lie les quarks, les éléments constitutifs internes des protons et des neutrons. Ils maintiennent également les protons et les neutrons ensemble pour former des noyaux atomiques. « Nous voulons étudier la distribution des gluons car c’est l’une des clés qui lie les quarks entre eux. Cette mesure de la distribution des gluons dans un deutéron n’a jamais été faite auparavant. »

De plus, comme les collisions photon-deutéron séparent parfois les deutérons, les collisions peuvent aider les scientifiques à comprendre ce processus.

« La mesure de la rupture du deutéron nous en dit long sur les mécanismes de base qui maintiennent ces particules ensemble dans les noyaux en général », a déclaré Tu.

Comprendre les gluons et leur rôle dans la matière nucléaire sera au centre des recherches du collisionneur électron-ion (EIC), une future installation de recherche en physique nucléaire en phase de planification au laboratoire de Brookhaven. À l’EIC, les physiciens utiliseront les photons générés par les électrons pour sonder la distribution des gluons à l’intérieur des protons et des noyaux, ainsi que la force qui maintient les noyaux ensemble. Mais Tu, qui a élaboré des plans de recherche à l’EIC, s’est rendu compte qu’il pourrait obtenir des indices en examinant les données existantes des expériences RHIC de 2016 sur les deutérons.

« La motivation pour étudier le deutéron est parce qu’il est simple, mais il a toujours tout ce qu’un noyau complexe a », a expliqué Tu. « Nous voulons étudier le cas le plus simple d’un noyau pour comprendre ces dynamiques, y compris comment elles changent lorsque vous passez d’un simple proton aux noyaux plus complexes que nous étudierons à l’EIC. »

Il a donc commencé à passer au crible les données recueillies par STAR sur des centaines de millions de collisions en 2016.

« Les données étaient là. Personne n’avait examiné la distribution des gluons du deutéron jusqu’à ce que je commence quand j’étais boursier Goldhaber en 2018. Je venais de rejoindre Brookhaven et j’ai trouvé ce lien avec l’EIC. »

Faire briller la lumière

Le RHIC peut accélérer une large gamme d’ions – des noyaux atomiques dépouillés de leurs électrons. Il peut même envoyer des faisceaux de deux types différents de particules se déplaçant dans des directions opposées à travers les anneaux jumeaux de son circuit circulaire de 2,4 milles à une vitesse proche de la lumière. Mais il ne peut pas accélérer directement les photons.

Mais grâce à la physique, récemment couverte ici, les particules en mouvement rapide avec beaucoup de charge positive émettent leur propre lumière. Ainsi, en 2016, lorsque le RHIC faisait entrer en collision des deutérons avec des ions d’or hautement chargés, ces ions d’or rapides étaient entourés de nuages ​​de photons. En identifiant les « collisions ultra-périphériques » – où le deutéron ne fait que jeter un coup d’œil sur le nuage de photons d’un ion d’or – Tu s’est rendu compte qu’il pouvait étudier les photons interagissant avec les deutérons pour avoir un aperçu à l’intérieur.

Le signe révélateur de ces interactions est la production d’une particule appelée J/psi, déclenchée par l’interaction du photon avec les gluons à l’intérieur du deutéron.

« J’ai trouvé 350 J/psi. Il n’y a que 350 événements sur les centaines de millions de collisions enregistrées par l’expérience STAR. C’est en fait un événement très rare », a déclaré Tu.

Bien que le J/psi se désintègre rapidement, le détecteur STAR peut suivre les produits de désintégration pour mesurer la quantité d’impulsion transférée à partir de l’interaction. La mesure de la distribution du transfert d’impulsion à travers toutes les collisions permet aux scientifiques de déduire la distribution des gluons.

« Il existe une relation biunivoque entre le transfert d’impulsion (le « coup de pied » donné au J/psi) et l’emplacement du gluon dans le deutéron », a expliqué Tu. « En moyenne, les gluons à l’intérieur même du cœur du deutéron donnent un très grand coup de pied d’impulsion. Les gluons à la périphérie donnent un coup de pied plus petit. Ainsi, l’examen de la distribution globale de l’impulsion peut être utilisé pour cartographier la distribution des gluons dans le deutéron. »

« Les résultats de notre étude ont comblé une lacune dans notre compréhension de la dynamique des gluons entre un proton libre et un noyau lourd », a déclaré Shuai Yang, un collaborateur STAR de la South China Normal University. Yang a été un physicien de premier plan dans l’utilisation de la lumière émise par les ions en mouvement rapide pour étudier les propriétés de la matière nucléaire dans les collisions noyau-noyau ultra-périphériques au RHIC et au Large Hadron Collider (LHC) en Europe. « Ce travail jette un pont entre la physique des particules et la physique nucléaire », a-t-il déclaré.

Un autre contributeur de premier plan, William Schmidke de Brookhaven Lab, a déclaré: « En fait, nous étudions ce processus depuis de nombreuses années. Mais c’est le premier résultat qui nous indique la dynamique des gluons pour les deux nucléons individuels (le terme collectif désignant les protons et les neutrons). et le noyau dans le même système. »

Étudier la rupture du deutéron

En plus de générer une particule J/psi, chaque interaction photon-gluon donne également une impulsion qui dévie le deutéron ou brise ce noyau simple en un proton et un neutron. L’étude du processus de rupture donne un aperçu de la force générée par les gluons qui maintient les noyaux ensemble.

En cas de rupture, le proton chargé positivement se recourbe dans le champ magnétique de l’accélérateur RHIC. Mais le neutron neutre continue d’avancer tout droit. Pour capturer ces « neutrons spectateurs », STAR dispose d’un détecteur positionné à 18 mètres de son centre, le long de la ligne de lumière à une extrémité.

« Ce processus est très simple », a noté Tu. « Un seul J/psi est produit au centre de STAR. Les seules autres particules qui peuvent être créées proviennent de cette rupture de deutéron. Ainsi, chaque fois que vous obtenez un neutron, vous savez que cela provient de la rupture de deutéron. Le détecteur STAR peut mesurer sans ambiguïté ce processus à haute énergie. »

Mesurer comment le processus de rupture est associé à une particule J/psi produite via l’interaction des gluons peut aider les scientifiques à comprendre le rôle des gluons dans l’interaction entre les protons et les neutrons. Cette connaissance pourrait être différente de ce que les scientifiques comprennent de ces interactions à basse énergie.

« A haute énergie, le photon » ne voit « presque rien d’autre que des gluons à l’intérieur du deutéron », a déclaré Tu. « Après que les gluons ‘ont donné un coup de pied’ à la particule J/psi, la façon dont ce ‘coup de pied’ conduit à une rupture est très probablement liée à la dynamique des gluons entre le proton et le neutron. L’avantage de cette mesure est que nous pouvons identifier expérimentalement le gluon- chaîne dominée et la débâcle nucléaire en même temps. »

En outre, Tu note que la mesure des neutrons produits via la rupture nucléaire – généralement connue sous le nom de « marquage des spectateurs » – est une technique large et utile et sera certainement utilisée au futur EIC.

Mais à l’EIC, « l’instrumentation sera bien meilleure et aura plus de couverture », a-t-il expliqué. « Nous serons en mesure d’améliorer encore la précision des mesures de distribution spatiale des gluons, des noyaux légers aux noyaux lourds. Et les systèmes de détection EIC capteront presque tout ce qui concerne la rupture du noyau, afin que nous puissions étudier encore plus en détail comment les nucléons interagissent les uns avec les autres. . »

Parmi les autres contributeurs clés qui ont collaboré pour effectuer les analyses de données complexes de cette étude figurent les physiciens du Brookhaven Lab, Jaroslav Adam, Zilong Chang et Thomas Ullrich.

*La force forte est la plus forte des quatre forces fondamentales de la nature (force forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle). Et contrairement à toutes les autres forces, la force d’interaction devient plus grande avec l’augmentation de la distance. La force de liaison entre deux quarks à une distance supérieure à 10-15 mètres (plus d’un millionième de milliardième de mètre) est supérieure à 10 tonnes.