Au milieu du siècle dernier, les physiciens ont découvert que les protons pouvaient résonner, un peu comme une cloche qui sonne. Les progrès réalisés au cours des trois dernières décennies ont conduit à des images 3D du proton et à des informations significatives sur sa structure dans son état fondamental. Mais on sait peu de choses sur la structure 3D du proton résonnant.
Maintenant, une expérience visant à explorer les structures 3D des résonances des protons et des neutrons au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Département américain de l’énergie a ajouté une pièce de puzzle supplémentaire à la vaste image de l’univers chaotique et naissant qui existait juste après le Big Bang.
L’étude des propriétés et comportements fondamentaux des nucléons offre des informations essentielles sur les éléments constitutifs de base de la matière. Les nucléons sont les protons et les neutrons qui composent les noyaux des atomes. Chaque nucléon est constitué de trois quarks étroitement liés par des gluons par une interaction forte, la force la plus puissante de la nature.
L’état le plus stable et le plus faible d’un nucléon est appelé son état fondamental. Mais lorsqu’un nucléon est excité de force dans un état d’énergie plus élevée, ses quarks tournent et vibrent les uns contre les autres, présentant ce qu’on appelle une résonance nucléon.
Un groupe de physiciens de la Justus Liebig Universitat (JLU) Giessen en Allemagne et de l’Université du Connecticut a dirigé l’effort de collaboration CLAS pour mener une expérience explorant ces résonances de nucléons. L’expérience a été réalisée dans l’installation d’accélération de faisceaux d’électrons continus (CEBAF) de classe mondiale de Jefferson Lab. Le CEBAF est une installation utilisateur du DOE Office of Science qui soutient la recherche de plus de 1 800 physiciens nucléaires dans le monde. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Lettres d’examen physique.
Le responsable de l’analyse, Stefan Diehl, a déclaré que les travaux de l’équipe mettaient en lumière les propriétés fondamentales des résonances nucléiques. Diehl, est chercheur postdoctoral et chef de projet au 2nd Physics Institute de JLU Giessen et professeur de recherche à l’Université du Connecticut. Il a déclaré que ces travaux inspirent également de nouvelles recherches sur la structure 3D du proton résonnant et le processus d’excitation.
« C’est la première fois que nous avons des mesures, des observations sensibles aux caractéristiques 3D d’un état aussi excité », a déclaré Diehl. « En principe, ce n’est qu’un début et cette mesure ouvre un nouveau champ de recherche. »
Le mystère de la formation de la matière
L’expérience a été menée dans le hall expérimental B en 2018-2019 à l’aide du détecteur CLAS12 de Jefferson Lab. Un faisceau d’électrons à haute énergie a été envoyé dans une chambre d’hydrogène gazeux refroidi. Les électrons ont impacté les protons de la cible pour exciter les quarks à l’intérieur et produire une résonance nucléon en combinaison avec un état quark-antiquark, appelé méson.
Les excitations sont fugaces, mais elles laissent derrière elles des preuves de leur existence sous la forme de nouvelles particules qui sont fabriquées à partir de l’énergie des particules excitées au fur et à mesure qu’elle se dissipe. Ces nouvelles particules vivent assez longtemps pour que le détecteur les capte, afin que l’équipe puisse reconstruire la résonance.
Diehl et d’autres discuteront de leurs résultats dans le cadre d’un atelier conjoint sur « Explorer la structure de résonance avec les GPD de transition » du 21 au 25 août à Trente, en Italie. La recherche a déjà inspiré deux groupes théoriques à publier des articles sur ces travaux.
L’équipe prévoit également d’autres expériences au Jefferson Lab en utilisant différentes cibles et polarisations. En diffusant des électrons à partir de protons polarisés, ils peuvent accéder à différentes caractéristiques du processus de diffusion. De plus, l’étude de processus similaires, tels que la production d’une résonance en combinaison avec un photon énergétique, peut fournir d’autres informations importantes.
Grâce à de telles expériences, a déclaré Diehl, les physiciens peuvent découvrir les propriétés du cosmos primitif après le Big Bang.
« Au début, le cosmos primitif n’avait qu’un plasma composé de quarks et de gluons, qui tournaient tous parce que l’énergie était si élevée », a déclaré Diehl. « Puis, à un moment donné, la matière a commencé à se former, et les premières choses qui se sont formées ont été les états de nucléons excités. Lorsque l’univers s’est davantage étendu, il s’est refroidi et les nucléons de l’état fondamental se sont manifestés.
« Avec ces études, nous pouvons en apprendre davantage sur les caractéristiques de ces résonances. Et cela nous dira des choses sur la façon dont la matière s’est formée dans l’univers et pourquoi l’univers existe sous sa forme actuelle. »
Plus d’information:
S. Diehl et al, Première mesure des asymétries de spin de faisceau d’électroproduction exclusives dures π – Δ ++ hors du proton, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.021901