Les physiciens de la collaboration ALICE (A Large Ion Collider Experiment) au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont mis au point une nouvelle technique qui ouvre la voie à des études de haute précision de la dynamique de la force forte entre des hadrons instables.
Une impression d’artiste de l’interaction entre l’hyperon Oméga (Ω) (à gauche) et un proton (à droite). Crédit image : Daniel Dominguez.
Les hadrons sont des particules composites constituées de deux ou trois quarks liés entre eux par l’interaction forte, qui est médiée par les gluons.
Cette interaction agit également entre les hadrons, en liant les nucléons (protons et neutrons) à l’intérieur des noyaux atomiques.
L’un des plus grands défis de la physique nucléaire aujourd’hui est de comprendre l’interaction forte entre des hadrons ayant un contenu en quarks différent à partir des premiers principes, c’est-à-dire en partant de l’interaction forte entre les quarks et les gluons constitutifs des hadrons.
Des calculs connus sous le nom de chromodynamique quantique en treillis (QCD) peuvent être utilisés pour déterminer l’interaction à partir des premiers principes, mais ces calculs ne fournissent des prédictions fiables que pour les hadrons contenant des quarks lourds, comme les hyperons, qui ont un ou plusieurs quarks étranges.
Dans le passé, ces interactions étaient étudiées en faisant entrer en collision des hadrons dans des expériences de diffusion, mais ces expériences sont difficiles à réaliser avec des hadrons instables comme les hyperons.
Cette difficulté a empêché jusqu’à présent une comparaison significative entre les mesures et la théorie pour les interactions hadron-hadron impliquant des hyperons.
Les physiciens de la collaboration ALICE montrent comment une technique basée sur la mesure de la différence de momentum entre les hadrons produits dans des collisions proton-proton au LHC peut être utilisée pour révéler la dynamique de l’interaction forte entre les hyperons et les nucléons, potentiellement pour toute paire d’hadrons.
La technique est appelée femtoscopie car elle permet d’étudier des échelles spatiales proches de 1 femtomètre, soit la taille d’un hadron et la gamme spatiale de l’action de la force forte.
Cette méthode a précédemment permis aux chercheurs d’ALICE d’étudier les interactions impliquant les hyperons Lambda (Λ) et Sigma (Σ), qui contiennent un quark étrange plus deux quarks légers, ainsi que l’hyperon Xi (Ξ), qui est composé de deux quarks étranges plus un quark léger.
Dans la nouvelle étude, ils ont utilisé cette technique pour découvrir avec une grande précision l’interaction entre un proton et le plus rare des hyperons, l’hyperon Omega (Ω), qui contient trois quarks étranges.
“La détermination précise de l’interaction forte pour tous les types d’hyperons était inattendue”, a déclaré le professeur Laura Fabbietti, physicienne à l’Université technique de Munich et membre de la collaboration ALICE.
“Cela peut s’expliquer par trois facteurs : le fait que le LHC peut produire des hadrons avec des quarks étranges en abondance, la capacité de la technique de femtoscopie à sonder la nature à courte portée de l’interaction forte, et les excellentes capacités du détecteur ALICE à identifier les particules et à mesurer leur momenta.”
“Notre nouvelle mesure permet une comparaison avec les prédictions des calculs de QCD en treillis et fournit un banc d’essai solide pour de futurs travaux théoriques”, a déclaré le Dr Luciano Musa, porte-parole de la collaboration ALICE.
“Les données des prochains passages du LHC devraient nous donner accès à n’importe quelle paire d’hadrons”.
Les résultats ont été publiés dans la revue Nature.
