Détecteur BES-III à l’Institut de physique des hautes énergies (IHEP) à Pékin. Crédit : Institut de physique des hautes énergies (IHEP), Pékin
Une équipe de recherche internationale avec la participation de Mayence et Darmstadt mesure les facteurs de forme des neutrons avec une précision jamais atteinte auparavant.
Tous les noyaux atomiques connus et donc presque toute la matière visible sont constitués de protons et de neutrons, mais bon nombre des propriétés de ces éléments constitutifs naturels omniprésents restent inconnues. En tant que particule non chargée, le neutron, en particulier, résiste à de nombreux types de mesure et 90 ans après sa découverte, de nombreuses questions restent sans réponse concernant sa taille et sa durée de vie, entre autres. Le neutron est constitué de trois quarks qui tourbillonnent à l’intérieur, maintenus ensemble par des gluons. Les physiciens utilisent des facteurs de forme électromagnétiques pour décrire cette structure interne dynamique du neutron. Ces facteurs de forme représentent une distribution moyenne de la charge électrique et de la magnétisation au sein du neutron et peuvent être déterminés au moyen de l’expérimentation.
Vue d’artiste du neutron et de sa structure interne. Crédit : Prof. Dr. Xiaorong Zhu, Université des sciences et de la technologie, Chine
Espace vide sur la carte des facteurs de forme rempli de données précises
« Un seul facteur de forme, mesuré à un certain niveau d’énergie, ne dit pas grand-chose au premier abord », explique le professeur Frank Maas, chercheur au PRISMA+ Cluster of Excellence in Mayence, le Helmholtz Institute Mainz (HIM) et le GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt. « Des mesures des facteurs de forme à différentes énergies sont nécessaires afin de tirer des conclusions sur la structure du neutron. » Dans certaines gammes d’énergie, qui sont accessibles à l’aide d’expériences standard de diffusion électron-proton, les facteurs de forme peuvent être déterminés assez précisément. Cependant, jusqu’à présent, cela n’a pas été le cas avec d’autres gammes pour lesquelles des techniques dites d’annihilation sont nécessaires et impliquent que la matière et l’antimatière se détruisent mutuellement.
Dans l’expérience BESIII entreprise en Chine, il s’est récemment avéré possible de déterminer avec précision les données correspondantes dans la gamme d’énergie 2 à 3,8 gigaélectronvolts ; comme le souligne l’article publié dans le dernier numéro de Physique de la nature par le partenariat, c’est plus de 60 fois plus précis par rapport aux mesures précédentes. « Avec ces nouvelles données, nous avons pour ainsi dire comblé un espace vide sur la « carte » du facteur de forme des neutrons, qui était jusqu’à présent un territoire inconnu », souligne Frank Maas. « Ces données sont maintenant aussi précises que celles obtenues dans les expériences de diffusion correspondantes. En conséquence, notre connaissance des facteurs de forme du neutron changera considérablement et, en tant que tel, nous obtiendrons une image beaucoup plus complète de cet élément constitutif important de la nature. »
Un véritable travail de pionnier dans un domaine de recherche difficile
Pour faire des percées dans le remplissage des champs requis de la « carte » du facteur de forme, les physiciens avaient besoin d’antiparticules. Le partenariat international a donc utilisé le Beijing Electron-Positron Collider II pour ses mesures. Ici, les électrons et leurs antiparticules positives, les positons, sont autorisés à entrer en collision dans un accélérateur et à se détruire, créant de nouvelles paires de particules – un processus connu sous le nom d’« annihilation » en physique. À l’aide du détecteur BESIII, les chercheurs ont observé et analysé le résultat, dans lequel les électrons et les positons forment des neutrons et des anti-neutrons. “Les expériences d’annihilation comme celles-ci sont loin d’être aussi bien établies que les expériences de diffusion standard”, ajoute Frank Maas. « Un travail de développement substantiel était nécessaire pour mener à bien l’expérience actuelle – l’intensité de l’accélérateur devait être améliorée et la méthode de détection du neutron insaisissable devait être pratiquement réinventée dans l’analyse des données expérimentales. Ce n’était pas du tout simple. Notre partenariat a fait un travail vraiment pionnier ici.
Autres phénomènes intéressants
Comme si cela ne suffisait pas, les mesures ont montré aux physiciens que les résultats pour le facteur de forme ne produisent pas une pente cohérente par rapport au niveau d’énergie, mais plutôt un modèle oscillant dans lequel les fluctuations deviennent plus petites à mesure que le niveau d’énergie augmente. Ils ont observé un comportement surprenant similaire dans le cas du proton – ici cependant, les fluctuations étaient en miroir, c’est-à-dire déphasées. « Cette nouvelle découverte indique avant tout que les nucléons n’ont pas une structure simple », explique Frank Maas. “Maintenant, nos collègues du côté théorique ont été invités à développer des modèles pour expliquer ce comportement extraordinaire.”
Enfin, sur la base de leurs mesures, le partenariat BESIII a modifié la manière dont le rapport relatif des facteurs de forme neutron/proton doit être appréhendé. Il y a de nombreuses années, le résultat obtenu dans l’expérience FENICE était un rapport supérieur à un, ce qui signifie que le neutron doit avoir un facteur de forme toujours plus grand que le proton. “Mais comme le proton est chargé, on s’attendrait à ce que ce soit complètement l’inverse”, affirme Frank Maas. « Et c’est exactement ce que nous voyons lorsque nous comparons nos données neutroniques avec les données protons que nous avons récemment acquises via BESIII. Nous avons donc rectifié la façon dont nous devons percevoir les plus petites particules. »
Du micro au macrocosme
Selon Maas, les nouvelles découvertes sont particulièrement importantes parce qu’elles sont si fondamentales. « Ils offrent de nouvelles perspectives sur les propriétés fondamentales du neutron. De plus, en examinant les plus petits éléments constitutifs de la matière, nous pouvons également comprendre des phénomènes qui se produisent dans les plus grandes dimensions, comme la fusion de deux étoiles à neutrons. Cette physique des extrêmes est déjà très fascinante.“
Référence : « Oscillating features in the electromagnetique structure of the neutron » par The BESIII Collaboration, 8 novembre 2021, Physique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41567-021-01345-6
