Théorie et expérience se combinent pour jeter un nouvel éclairage sur le spin des protons

Les physiciens nucléaires s’efforcent depuis longtemps de découvrir comment le proton obtient sa rotation. Aujourd’hui, une nouvelle méthode combinant des données expérimentales avec des calculs de pointe a révélé une image plus détaillée des contributions de spin de la colle même qui maintient les protons ensemble. Cela ouvre également la voie à l’imagerie de la structure 3D du proton.

Les travaux ont été dirigés par Joseph Karpie, associé postdoctoral au Centre de physique théorique et computationnelle (Theory Center) du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Département américain de l’énergie.

Il a expliqué que ce mystère vieux de plusieurs décennies a commencé avec les mesures des sources du spin du proton en 1987. Les physiciens pensaient à l’origine que les éléments constitutifs du proton, ses quarks, seraient la principale source du spin du proton. Mais ce n’est pas ce qu’ils ont trouvé. Il s’est avéré que les quarks du proton ne fournissent qu’environ 30 % du spin total mesuré du proton. Le reste provient de deux autres sources qui se sont révélées jusqu’à présent plus difficiles à mesurer.

L’une est la force mystérieuse mais puissante. La force forte est l’une des quatre forces fondamentales de l’univers. C’est ce qui « colle » les quarks ensemble pour constituer d’autres particules subatomiques, telles que les protons ou les neutrons. Les manifestations de cette force puissante sont appelées gluons, dont on pense qu’ils contribuent au spin du proton. On pense que le dernier spin proviendrait des mouvements des quarks et des gluons du proton.

« Cet article est en quelque sorte le rassemblement de deux groupes du Theory Center qui ont travaillé pour essayer de comprendre le même élément de physique, à savoir comment les gluons qui s’y trouvent contribuent-ils à la rotation du proton. , » il a dit.

Il a déclaré que cette étude était inspirée par un résultat déroutant provenant des premières mesures expérimentales du spin des gluons. Les mesures ont été effectuées au Relativistic Heavy Ion Collider, une installation utilisateur du DOE Office of Science basée au Brookhaven National Laboratory à New York. Au début, les données semblaient indiquer que les gluons pourraient contribuer au spin du proton. Ils ont montré un résultat positif.

Mais à mesure que l’analyse des données s’améliorait, une autre possibilité est apparue.

« Lorsqu’ils ont amélioré leur analyse, ils ont commencé à obtenir deux séries de résultats qui semblaient très différents, l’un positif et l’autre négatif », a expliqué Karpie.

Alors que le résultat positif précédent indiquait que les spins des gluons sont alignés sur celui du proton, l’analyse améliorée a permis d’admettre la possibilité que les spins des gluons aient une contribution globalement négative. Dans ce cas, une plus grande partie du spin du proton proviendrait du mouvement des quarks et des gluons, ou du spin des quarks eux-mêmes.

Ce résultat déroutant a été publié par la collaboration Jefferson Lab Angular Momentum (JAM).

Pendant ce temps, la collaboration HadStruc avait abordé les mêmes mesures d’une manière différente. Ils utilisaient des superordinateurs pour calculer la théorie sous-jacente décrivant les interactions entre les quarks et les gluons dans le proton, la chromodynamique quantique (QCD).

Pour équiper les superordinateurs afin d’effectuer ce calcul intense, les théoriciens simplifient quelque peu certains aspects de la théorie. Cette version quelque peu simplifiée pour les ordinateurs est appelée QCD sur réseau.

Karpie a dirigé le travail visant à rassembler les données des deux groupes. Il a commencé avec les données combinées d’expériences réalisées dans des installations du monde entier. Il a ensuite ajouté les résultats du calcul QCD sur réseau à son analyse.

« Cela rassemble tout ce que nous savons sur le spin des quarks et des gluons et sur la façon dont les gluons contribuent au spin du proton dans une dimension », a déclaré David Richards, un scientifique senior du Jefferson Lab qui a travaillé sur l’étude.

« Lorsque nous l’avons fait, nous avons vu que les choses négatives ne disparaissaient pas, mais elles ont radicalement changé. Cela signifie qu’il se passe quelque chose de drôle avec celles-ci », a déclaré Karpie.

Karpie est l’auteur principal de l’étude récemment menée publié dans Examen physique D. Il a déclaré que le principal point à retenir est que la combinaison des données des deux approches a fourni un résultat plus éclairé.

« Nous combinons nos deux ensembles de données et obtenons un meilleur résultat que chacun de nous pourrait obtenir indépendamment. Cela montre vraiment que nous apprenons beaucoup plus en combinant la CDQ sur réseau et en expérimentant ensemble dans une seule analyse de problème », a déclaré Karpie. « C’est la première étape, et nous espérons continuer dans cette voie avec de plus en plus d’observables et en générant davantage de données sur réseau. »

La prochaine étape consiste à améliorer encore les ensembles de données. À mesure que des expériences plus puissantes fournissent des informations plus détaillées sur le proton, ces données commencent à dresser un tableau qui va au-delà d’une seule dimension. Et à mesure que les théoriciens apprennent à améliorer leurs calculs sur des supercalculateurs toujours plus puissants, leurs solutions deviennent également plus précises et plus inclusives.

L’objectif est d’aboutir à terme à une compréhension tridimensionnelle de la structure du proton.

« Nous apprenons donc que nos outils fonctionnent sur le scénario unidimensionnel plus simple. En testant nos méthodes maintenant, nous espérons savoir ce que nous devons faire lorsque nous voulons passer à la structure 3D », a déclaré Richards. « Ce travail contribuera à cette image 3D de ce à quoi devrait ressembler un proton. Il s’agit donc de nous frayer un chemin jusqu’au cœur du problème en faisant ces choses plus faciles maintenant. »