Au milieu du XXe siècle, les scientifiques ont découvert que les protons avaient la capacité de résonner, comme les vibrations d’une horloge. Au cours des trois décennies suivantes, les images tridimensionnelles du proton ont continué à progresser et une compréhension plus approfondie de la structure du proton dans son état fondamental a été acquise. Cependant, la compréhension de la structure tridimensionnelle des protons résonants reste encore limitée.
Une expérience récente menée à l'installation d'accélérateur national Thomas Jefferson du ministère américain de l'Énergie explore la structure tridimensionnelle des résonances des protons et des neutrons. Cette recherche fournit une autre pièce du puzzle de l’image de l’univers où le chaos est apparu pour la première fois après le Big Bang.
L’étude des propriétés fondamentales et du comportement des nucléons fournit des indices importants pour notre compréhension des éléments constitutifs de base de la matière. Les nucléons sont les protons et les neutrons qui constituent le noyau d'un atome. Chaque nucléon est composé de trois quarks, maintenus ensemble par des gluons sous l'effet d'une interaction forte - la force la plus puissante de la nature.
L’état d’énergie le plus stable et le plus faible d’un noyau est appelé état fondamental. Mais lorsqu'un nucléon est excité de force jusqu'à un état de haute énergie, ses quarks tournent et vibrent les uns avec les autres, présentant ce qu'on appelle une résonance nucléon.
Une équipe de physiciens de l'Université Justus Liebig (JLU) de Giessen, en Allemagne, et de l'Université du Connecticut, à la tête de la collaboration CLAS, a mené une expérience pour explorer ces résonances nucléoniques. Les expériences ont été menées au sein de l’installation d’accélérateur de faisceaux d’électrons continus (CEBAF) de classe mondiale du laboratoire Jefferson. Le CEBAF est un établissement utilisateur du Bureau scientifique du ministère de l'Énergie qui soutient la recherche de plus de 1 800 physiciens nucléaires à travers le monde. Les résultats de la recherche ont été récemment publiés dans la prestigieuse revue à comité de lecture Physical Review Letters.
Stefan Diehl, chef de l'équipe d'analyse, a déclaré que les travaux de l'équipe ont révélé les propriétés fondamentales de la résonance nucléaire. Diehl est chercheur postdoctoral et chef de projet à l'Institut de physique II de l'Union University de Giessen et professeur-chercheur à l'Université du Connecticut. Ces travaux stimulent également de nouvelles recherches sur la structure tridimensionnelle et les processus d'excitation des protons résonants.
"C'est la première fois que nous effectuons des mesures et des observations sensibles aux caractéristiques tridimensionnelles de cet état excité", explique Diehl. "En principe, ce n'est qu'un début et ce type de mesure ouvre un nouveau champ de recherche."
L'expérience a été menée dans le hall expérimental B en 2018-2019, à l'aide du détecteur CLAS12 du laboratoire Jefferson. Un faisceau d’électrons de haute énergie est introduit dans une chambre d’hydrogène gazeux refroidi. L'électron frappe le proton de la cible, excitant les quarks qu'il contient et se combinant avec des états quark-antiquark (appelés mésons) pour créer une résonance nucléon.
De telles excitations sont éphémères, mais elles laissent des traces de leur existence sous la forme de nouvelles particules créées par la fission énergétique des particules excitées. Ces nouvelles particules sont suffisamment longues pour que les détecteurs puissent les capturer, afin que l'équipe puisse reconstruire les résonances.
Diehl et coll. ont récemment discuté de leurs résultats lors de l'atelier conjoint "Exploring Resonant Structures with Transitional GPDs" à Trente, en Italie. Cette recherche a inspiré deux groupes théoriques à publier des articles connexes.
L’équipe prévoit également de mener des expériences supplémentaires au Jefferson Lab en utilisant différentes cibles et polarisations. Par diffusion électronique à partir de protons polarisés, ils peuvent obtenir différentes caractéristiques du processus de diffusion. En outre, l’étude de processus similaires, tels que la combinaison de photons de haute énergie pour créer des résonances, peut également fournir des informations plus importantes.
Diehl a déclaré que grâce à ces expériences, les physiciens peuvent comprendre les caractéristiques de l'univers primitif après le Big Bang : « Au début, l'univers primitif n'avait qu'un plasma composé de quarks et de gluons, et ces plasmas tournaient parce que l'énergie était trop élevée. Puis, à un certain moment, la matière a commencé à se former, et les premiers à se former étaient des états de nucléons excités.
"Grâce à ces études, nous pouvons comprendre les caractéristiques de ces résonances. Cela nous dira comment la matière dans l'univers s'est formée et pourquoi l'univers existe sous cette forme."