Les physiciens du Brookhaven National Laboratory annoncent qu’ils ont réussi à cartographier l’arrangement précis des particules élémentaires au cœur des noyaux atomiques. Leur travail est basé sur une nouvelle méthode d’utilisation du collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) et un nouveau type d’injection quantique qui n’a jamais été vu auparavant.
Un noyau atomique est constitué de protons et de neutrons, eux-mêmes constitués de particules élémentaires, les quarks, liés entre eux par des gluons. Par une série de changements quantiques, les photons interagissent avec les gluons, créant une particule intermédiaire (“rho”) qui se désintègre ensuite en deux “pions” chargés (ou mésons pi), notés π+ et π-. Le suivi des angles auxquels ces particules π+ et π- frappent le détecteur STAR du RHIC fournit des informations qui permettent une cartographie précise de l’arrangement des gluons dans le noyau.
” Cette méthode est similaire à la façon dont les médecins utilisent la tomographie par émission de positrons (TEP) pour voir ce qui se passe à l’intérieur du cerveau et d’autres parties du corps. explique James Daniel Brandenburg, membre de la coalition STAR. La différence est que le but ici est de cartographier des motifs à l’échelle des femtomètres (c’est-à-dire 10-15 mètres) ! Les chercheurs ont non seulement obtenu un aperçu unique des atomes, mais ils ont également découvert un nouveau type d’interpénétration entre les particules π+ et π-.
Une image 2D de la distribution des gluons
Le RHIC (Collisionneur d’ions lourds relativiste) est un accélérateur de particules dédié à l’étude des collisions entre ions lourds (cuivre, or, uranium…) à des vitesses relativistes. Il a été conçu pour étudier la nature primordiale de la matière (qui existait au début de l’univers), mais il peut aussi émettre des collisions entre protons pour étudier sa nature. Plusieurs caméras numériques, dont la STAR, permettent d’enregistrer les résultats des collisions.
Pour étudier les particules d’origine, les scientifiques entrent en collision manoyaux d’atomes lourds, se déplaçant dans des directions opposées entrent en collision à une vitesse proche de la lumière. L’intensité de la collision est telle qu’elle peut “dissoudre” les frontières entre les protons et les neutrons individuels, libérant leurs éléments de base : les quarks et les gluons.
Mais les physiciens nucléaires veulent aussi savoir comment les quarks et les gluons s’organisent à l’intérieur des noyaux atomiques pour former des protons et des neutrons.
Mais des travaux récents de la collaboration STAR sur la collision de photons polarisés ont suggéré un moyen d’utiliser ces particules lumineuses pour mieux comprendre les noyaux. ” Nous avons montré que ces photons sont polarisés, leur champ électrique rayonnant vers l’extérieur à partir du centre de l’ion. Et maintenant, nous utilisons cet outil, la lumière polarisée, pour imager avec précision les noyaux à haute énergie. déclare Zhangbu Xu, physicien au Brookhaven Lab et membre du consortium STAR.
Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient aucun moyen de connaître la direction de polarisation des photons. Par conséquent, la densité de gluons mesurée était une moyenne, calculée en fonction de la distance au centre. Mais l’interférence quantique observée entre les particules π+ et π- permet de mesurer précisément la direction de repolarisation. Cela permet aux physiciens d’analyser la distribution des gluons dans deux directions : le long de la direction de déplacement du photon, mais aussi perpendiculairement à celle-ci.
La première connexion entre les différentes parties
Alors que les mesures précédentes donnaient l’impression que le noyau était plus gros par rapport à ce qui était prédit par les modèles théoriques et les mesures de la distribution de charge dans le noyau, cette nouvelle visualisation 2D a permis d’éclaircir ce mystère. Il s’avère que la quantité de mouvement et l’énergie des photons eux-mêmes sont liées à celles des gluons. Ainsi, la mesure unidimensionnelle a donné des résultats biaisés par l’effet des photons.
En fait, la somme des moments de deux pions donne l’impulsion de leur particule rho parente, et d’autres informations incluent la distribution des gluons et l’effet de brouillage des photons. Pour déterminer la distribution des gluons, les scientifiques mesurent l’angle entre le π+ ou π- et celui de la particule rho. Plus cet angle est proche de 90°, moins l’effet photonique fonctionne. En suivant les pions des particules se déplaçant à différents angles et énergies, les scientifiques ont pu cartographier la distribution des gluons à l’intérieur.
” Maintenant, nous pouvons prendre une photo où nous pouvons distinguer avec précision la densité de gluons à un angle et un rayon donnés. Les images sont si nettes que nous pouvons même commencer à voir la différence entre les protons et les neutrons à l’intérieur de ces abeilles géantes. », se réjouit Brandebourg. Et bien sûr, ces images sont très liées à l’imagination.
Mais cela n’est possible que du fait que les particules π+ et π-, bien qu’ayant des charges différentes, sont intriquées. ” Il s’agit de la première étude à analyser la pénétration entre différentes pièces. “, souligne la physique.
Lorsque deux ions se frottent l’un contre l’autre sans entrer en collision, les photons qui les entourent interagissent avec les gluons : il semble que cette interaction ait créé deux particules rhô (une dans chaque noyau). Au fur et à mesure que chaque particule rho se désintègre en π+ et π-, la fonction d’onde du pion négatif de l’un interfère avec la fonction d’onde du pion négatif de l’autre. Lorsque la fonction d’onde supplémentaire résultante frappe le détecteur STAR, il détecte π-. La même chose se produit avec les deux ondes de fonction π+.
” L’interférence se produit entre les deux ondes d’activité des mêmes particules, mais sans l’interférence entre les deux particules différentes – π+ et π- – cette interférence ne se produirait pas. déclare Wangmei Zha, responsable de la campagne STAR à l’Université des sciences et technologies de Chine. Si les deux parties n’étaient pas reliées, les deux vagues de travail auraient une partie irrégulière et ne produiraient pas d’erreur ; par conséquent, les chercheurs ne pouvaient pas voir la direction de polarisation des photons et ne pouvaient donc pas effectuer de mesures.
Les prochaines expériences menées au RHIC, ainsi que le collisionneur électron-ion actuellement en construction, permettront d’examiner en détail la distribution des gluons à l’intérieur des noyaux atomiques et de tester d’autres effets possibles des interférences quantiques.
