Lorsqu’un proton entre en collision avec un proton, le gluon émis par l’un des quarks de valence peut interagir avec un quark virtuel de la paire quark-antiquark à l’intérieur de l’autre proton. Selon le modèle GEM, le résultat d’une telle interaction sera un proton rapide avec une structure intacte de quarks de valence et d’autres particules créées lors de processus se déroulant dans la région d’interaction (encadré en blanc). Crédit : IFJ PAN / Bicolore
A l’intérieur de chaque proton ou neutron se trouvent trois quarks liés par des gluons. Jusqu’à présent, on a souvent supposé que deux d’entre eux forment une paire « stable » connue sous le nom de diquark. Il semble cependant que ce soit la fin du chemin pour les diquarks en physique. C’est l’une des conclusions du nouveau modèle de collisions proton-proton ou proton-noyau, qui prend en compte les interactions des gluons avec la mer de quarks et antiquarks virtuels.
En physique, l’émergence d’un nouveau modèle théorique est souvent de mauvais augure pour les anciens concepts. C’est également le cas de la description des collisions de protons avec des protons ou des noyaux atomiques, proposée par des scientifiques de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie. Dans le dernier modèle, un rôle important est joué par les interactions des gluons émis par un proton avec la mer de quarks et d’antiquarks virtuels, apparaissant et disparaissant à l’intérieur d’un autre proton ou neutron.
Les gluons sont porteurs de la force forte, l’une des quatre forces fondamentales de la nature. Cela lie les quarks dans des structures composites, telles que des protons ou des neutrons. À bien des égards, la force forte diffère des autres. Par exemple, il ne faiblit pas, mais grandit avec la distance entre les particules. De plus, contrairement aux photons, les gluons portent un type de charge spécifique (appelé pittoresquement couleur) et peuvent interagir les uns avec les autres.
Une des collisions possibles d’un proton et de deux protons/neutrons dans un noyau de carbone, selon le modèle GEM. Deux quarks de valence d’un proton échangent des gluons avec des quarks de valence dans deux protons/neutrons du noyau de carbone. Les trois quarks du proton entrant ne sont plus de couleur neutre. Ces quarks, représentés en rouge à droite, doivent alors attraper d’autres particules de la région d’interaction (affichées en blanc), entraînant la production de particules secondaires. Crédit : IFJ PAN / Bicolore
La majorité des réactions nucléaires – y compris la majeure partie des collisions de protons avec des protons ou des noyaux atomiques – sont des processus dans lesquels les particules ne « se frôlent » qu’en échangeant des gluons. Les collisions de ce type sont qualifiées de douces par les physiciens et leur causent passablement d’ennuis, car la théorie qui les décrit est incalculable à partir des premiers principes. Ainsi, par nécessité, tous les modèles actuels de processus mous sont plus ou moins phénoménologiques.
« Au début, nous voulions seulement voir comment l’outil existant, connu sous le nom de modèle Dual Parton, gère des données expérimentales plus précises sur les collisions proton-proton et proton-noyau », se souvient le professeur Marek Jezabek (IFJ PAN). « Il s’est rapidement avéré qu’il ne s’en sortait pas bien. Nous avons donc décidé, sur la base de l’ancien modèle en cours de développement depuis plus de quatre décennies, d’essayer de créer quelque chose qui soit d’une part plus précis, et d’autre part – plus proche de la nature des phénomènes décrits. “
Le Gluon Exchange Model (GEM) construit à l’IFJ PAN est également phénoménologique. Cependant, elle n’est pas basée sur des analogies avec d’autres phénomènes physiques, mais directement sur l’existence des quarks et des gluons et de leurs propriétés fondamentales. De plus, GEM prend en compte l’existence dans les protons et les neutrons non seulement de triplets des principaux quarks (de valence), mais aussi de la mer de paires de quarks et d’antiquarks virtuels qui apparaissent et s’annihilent constamment. De plus, il prend en compte les limitations résultant du principe de conservation du nombre de baryons. En termes simplifiés, il dit que le nombre de baryons (c’est-à-dire de protons et de neutrons) existant avant et après l’interaction doit rester inchangé. Comme chaque quark porte son propre nombre de baryons (égal à 1/3), ce principe permet de tirer des conclusions plus fiables sur ce qui se passe avec les quarks et les gluons échangés entre eux.
« Le GEM nous a permis d’explorer de nouveaux scénarios de déroulement d’événements impliquant des protons et des neutrons », souligne le Dr Andrzej Rybicki (IFJ PAN) et rentre plus en détail : « Imaginons, par exemple, qu’au cours d’un proton mou -collision de protons, l’un des protons émet un gluon, qui frappe l’autre proton – pas son quark de valence mais un quark de la mer virtuelle qui existe pendant une fraction d’instant. Lorsqu’un tel gluon est absorbé, le quark marin et l’antiquark formant une paire cessent d’être virtuels et se matérialisent en d’autres particules dans des états finaux spécifiques. Notez que dans ce scénario, de nouvelles particules sont formées malgré le fait que les quarks de valence de l’un des protons soient restés intacts.
Le modèle du gluon de Cracovie conduit à des informations intéressantes, dont deux sont particulièrement remarquables. Le premier concerne l’origine des protons diffractifs, observés dans les collisions proton-proton. Ce sont des protons rapides qui sortent du site de collision à de petits angles. Jusqu’à présent, on croyait qu’ils ne pouvaient pas être produits par des processus de changement de couleur et qu’un autre mécanisme physique était responsable de leur production. Or, il s’avère que la présence de protons diffractifs peut s’expliquer par l’interaction du gluon émis par un proton avec les quarks marins d’un autre proton.
Une autre observation n’est pas moins intéressante. Auparavant, lors de la description des collisions douces, on supposait que deux des trois quarks de valence d’un proton ou d’un neutron sont liés ensemble de sorte qu’ils forment une « molécule » appelée diquark. L’existence du diquark était une hypothèse dont tous les physiciens ne se porteraient pas garants sans discernement, mais le concept était largement utilisé – quelque chose qui est maintenant susceptible de changer. Le modèle GEM a été confronté à des données expérimentales décrivant une situation dans laquelle un proton entre en collision avec un noyau de carbone et interagit avec deux ou plusieurs protons/neutrons en cours de route. Il s’est avéré que pour être cohérent avec les mesures, sous le nouveau modèle dans au moins la moitié des cas, la désintégration du diquark doit être supposée.
« Ainsi, il existe de nombreuses indications que le diquark dans un proton ou un neutron n’est pas un objet fortement lié. Il se peut que le diquark n’existe que efficacement, sous la forme d’une configuration aléatoire de deux quarks formant ce qu’on appelle un antitriplet de couleur – et chaque fois qu’il le peut, il se désintègre immédiatement », explique le Dr Rybicki.
Le modèle d’échange de gluons de Cracovie explique une classe plus large de phénomènes d’une manière plus simple et plus cohérente que les outils existants pour la description des collisions douces. Les résultats actuels, présentés dans un article publié dans Physique Lettres B, ont des implications intéressantes pour les phénomènes d’annihilation matière-antimatière, dans lesquels un antiproton pourrait s’annihiler sur plus d’un proton/neutron dans le noyau atomique. Par conséquent, les auteurs ont déjà formulé des premières propositions préliminaires pour effectuer de nouvelles mesures à CERN avec un faisceau d’antiprotons.
Référence : « The Gluon Exchange Model for diffractive and inelastic collisions » par Marek Jeżabek et Andrzej Rybicki, 15 mars 2021, Physique Lettres B.
DOI : 10.1016/j.physletb.2021.136200
