Le proton, l’un des composants des noyaux atomiques, est composé de particules fondamentales appelées quarks et gluons. Une équipe de physiciens du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Département de l’énergie a découvert une pression extrêmement élevée dirigée vers l’extérieur depuis le centre du proton, et une pression beaucoup plus faible dirigée vers l’intérieur près de la périphérie du proton. Ils ont également découvert que les quarks sont soumis à une pression de 10 %.35 pascals près du centre du proton, ce qui est environ dix fois supérieur à la pression au cœur des étoiles à neutrons, les objets connus les plus denses de l’Univers.
La première mesure de la propriété mécanique d’une particule subatomique révèle la distribution de la pression à l’intérieur du proton. Crédit image : Thomas Jefferson National Accelerator Facility.
“La distribution de la pression à l’intérieur du proton est dictée par la force forte, la force qui lie trois quarks ensemble pour former un proton. Nos résultats éclairent également la distribution de la force forte à l’intérieur du proton”, a déclaré le Dr Volker Burkert, auteur principal de l’étude.
“Nous fournissons un moyen de visualiser l’ampleur et la distribution de la force forte à l’intérieur du proton. Cela ouvre une toute nouvelle direction en physique nucléaire et en physique des particules qui pourra être explorée à l’avenir.”
Autrefois considérée comme impossible à obtenir, cette mesure est le résultat d’un couplage astucieux de deux cadres théoriques avec des données existantes.
Tout d’abord, il y a les distributions généralisées de partons ; elles permettent aux physiciens de produire une image 3D de la structure du proton telle qu’elle est sondée par la force électromagnétique.
La seconde est constituée par les facteurs de forme gravitationnels du proton. Ces facteurs de forme décrivent ce que serait la structure mécanique du proton si les chercheurs pouvaient sonder le proton par la force gravitationnelle.
Le physicien américain Heinz Pagels, qui a développé le concept des facteurs de forme gravitationnels en 1966, a observé dans un article les détaillant qu’il y avait “très peu d’espoir d’apprendre quoi que ce soit sur la structure mécanique détaillée d’une particule, en raison de l’extrême faiblesse de l’interaction gravitationnelle”.
Des travaux théoriques récents ont toutefois permis de relier les distributions de partons généralisées aux facteurs de forme gravitationnels, ce qui permet de substituer les résultats des sondes électromagnétiques des protons aux sondes gravitationnelles.
“C’est là toute la beauté de la chose. Vous avez cette carte que vous pensez ne jamais obtenir. Mais nous voilà en train de la remplir avec cette sonde électromagnétique”, a déclaré le Dr Latifa Elouadrhiri, co-auteur du projet.
La sonde électromagnétique est constituée de faisceaux d’électrons produits par le Continuous Electron Beam Accelerator Facility, une installation du DOE Office of Science User Facility.
Ces électrons sont dirigés vers les noyaux des atomes, où ils interagissent électromagnétiquement avec les quarks à l’intérieur des protons via un processus appelé diffusion Compton profondément virtuelle.
Dans ce processus, un électron pénètre dans un proton et échange un photon virtuel avec un quark, transférant de l’énergie au quark et au proton. Peu de temps après, le proton libère cette énergie en émettant un autre photon et continue intact. Ce processus est analogue aux calculs effectués par le Dr Pagels pour déterminer comment il serait possible de sonder le proton par gravitation via un hypothétique faisceau de gravitons.
Burkert, Elouadrhiri et leur collègue, Francois-Xavier Girod, ont pu exploiter une similitude entre les études électromagnétiques bien connues et les études gravitationnelles hypothétiques pour obtenir leur résultat.
“Il y a un photon qui entre et un photon qui sort. Et la paire de photons est de spin 1. Cela nous donne la même information que l’échange d’une particule de graviton de spin 2”, a déclaré le Dr Girod.
“Donc maintenant, on peut fondamentalement faire la même chose que ce que nous avons fait dans les processus électromagnétiques – mais par rapport aux facteurs de forme gravitationnels, qui représentent la structure mécanique du proton.”
Les résultats sont publiés dans la revue Nature.
