Une représentation artistique de l’interaction entre un proton (constitué de deux quarks up et un quark down) et un méson (constitué d’une paire de quarks étrange-antistrange) lorsqu’ils émergent d’une collision proton-proton au LHC à une distance entre eux de l’ordre d’un femtomètre. Crédit : collaboration ALICE
La collaboration ALICE a pour la première fois observé l’interaction forte résiduelle entre les protons et les mésons phi.
Dans un article récemment publié dans Lettres d’examen physique, la collaboration ALICE a utilisé une méthode connue sous le nom de femtoscopie pour étudier l’interaction résiduelle entre les particules à deux et trois quarks. Grâce à cette mesure, une interaction entre le méson ɸ (phi) (quarks étrange-antistrange) et un proton (deux quarks up et un quark down) a été observée pour la première fois.
Le méson ɸ n’étant pas chargé électriquement, une interaction entre le proton et le ne peut être d’origine électromagnétique et ne peut être attribuée qu’à l’interaction forte résiduelle. L’interaction forte est ce qui maintient les quarks ensemble à l’intérieur des hadrons (comme le proton et le méson ), tandis que l’interaction forte résiduelle est la force qui agit entre les hadrons. C’est l’interaction qui maintient les protons et les neutrons ensemble sous la forme de noyaux atomiques.
Une grande expérience de collisionneur d’ions. Crédit : CERN
Contrairement à l’interaction forte résiduelle entre protons et neutrons, qui peut être étudiée dans des états liés stables comme les noyaux, l’interaction entre hadrons instables produits lors de collisions de particules est très difficile à observer. Cela s’est avéré possible dans le LHC en utilisant une approche connue sous le nom de femtoscopie. Les hadrons dans les collisions du LHC sont produits très près les uns des autres, à des distances d’environ 10^-15 m (une unité connue sous le nom de femtomètre, d’où le nom de femtoscopie). Cette échelle correspond à la portée de la force résiduelle forte, donnant aux hadrons une brève chance d’interagir avant de s’envoler. En conséquence, les paires de hadrons qui subissent une interaction attractive se rapprocheront légèrement l’une de l’autre, tandis que, pour une interaction répulsive, c’est l’inverse qui se produit. Les deux effets peuvent être clairement observés grâce à une analyse détaillée des vitesses relatives mesurées des particules.
La connaissance de l’interaction p-ɸ (proton-méson ɸ) présente un double intérêt en physique nucléaire. Premièrement, cette interaction est un point d’ancrage pour les recherches de restauration partielle de la symétrie chirale. La symétrie gauche et droite (chirale) qui caractérise l’interaction forte se trouve brisée dans la nature, et cet effet est responsable de la masse beaucoup plus grande des hadrons, tels que le proton et le neutron, par rapport aux masses des quarks qui les composent. Par conséquent, la symétrie chirale est liée à l’origine de la masse elle-même ! Une piste possible pour rechercher la restauration de la symétrie chirale et faire la lumière sur le mécanisme générateur de masse est d’étudier les modifications des propriétés des mésons ɸ au sein de la matière nucléaire dense formée lors des collisions au LHC. Cependant, à cette fin, il est essentiel que la simple interaction p-ɸ à deux corps dans le vide soit d’abord comprise.
ALICE ITS Installation du canon extérieur. Crédit : CERN
Le deuxième point d’intérêt est que, du fait de sa teneur en quarks étranges-antistranges, le méson est considéré comme un véhicule possible de l’interaction entre les baryons (hadrons constitués de trois quarks) qui contiennent un ou plusieurs quarks étranges, appelés hypérons (Y ). Selon la force de cette interaction, les hypérons peuvent former le noyau des étoiles à neutrons, qui sont parmi les objets astrophysiques les plus denses et les moins compris. La mesure directe de la force d’interaction Y-ɸ, bien que faisable, n’a pas encore été réalisée, mais déjà aujourd’hui cette quantité peut être estimée sur la base des découvertes p-ɸ via des symétries fondamentales. Par conséquent, la mesure de l’interaction p-ɸ donne un accès indirect à l’interaction YY dans les étoiles à neutrons.
La force d’interaction modérée mesurée par ALICE fournit une référence quantitative pour d’autres études des propriétés ɸ dans le milieu nucléaire et se traduit également par une interaction négligeable entre les hypérons dans les étoiles à neutrons. Des mesures plus précises suivront lors des prochaines opérations LHC 3 et 4, permettant d’améliorer considérablement la précision des paramètres extraits et permettant également de cerner directement l’interaction Y-ɸ.
Référence : « Preuve expérimentale d’une interaction p−ϕ attrayante » par S. Acharya et al. (Collaboration ALICE), 14 septembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.172301
