Le noyau atomique est constitué de protons et de neutrons, qui sont eux-mêmes composés de quarks et de gluons. Ces deux derniers sont beaucoup plus petits et fonctionnent à des niveaux d’énergie beaucoup plus élevés que les protons et les neutrons dans lesquels ils se trouvent. Les physiciens ont donc supposé qu’un quark devait être allègrement indifférent aux caractéristiques des protons et des neutrons, et de l’atome dans son ensemble. Mais en 1983, la European Muon Collaboration (EMC) du CERN a observé ce qui allait devenir l’effet EMC : dans le noyau d’un atome de fer contenant de nombreux protons et neutrons, les quarks se déplacent nettement plus lentement que les quarks dans le deutérium (un isotope de l’hydrogène contenant un proton et un neutron dans son noyau). Des physiciens de la collaboration CLAS (CEBAF Large Acceptance Spectrometer) ont découvert que la vitesse d’un quark dépend du nombre de protons et de neutrons formant des paires corrélées à courte distance (SRC) dans le noyau d’un atome.
Schmookler et al développent une fonction universelle qui suggère que les paires proton-neutron dans le noyau, illustrées ici, pourraient être responsables de l’effet CEM. Crédit image : DOE’s Jefferson Lab.
“Il existe actuellement deux modèles principaux qui décrivent l’effet EMC”, a déclaré le Dr Douglas Higinbotham, un scientifique du Thomas Jefferson National Laboratory et un membre de la collaboration CLAS.
“Le premier modèle est que tous les protons et les neutrons d’un noyau… [and thus their quarks] sont modifiés et ils sont tous modifiés de la même façon.”
“L’autre modèle, qui est celui sur lequel nous nous concentrons dans l’étude, est différent. Il dit que de nombreux protons et neutrons se comportent comme s’ils étaient libres, tandis que d’autres sont impliqués dans des corrélations à courte portée et sont fortement modifiés.”
“Les protons et les neutrons d’un atome peuvent s’apparier constamment, mais seulement momentanément, avant de se séparer et de poursuivre leur chemin séparément”, a déclaré le Dr Axel Schmidt, chercheur postdoctoral au MIT.
“Pendant cette brève interaction à haute énergie, les quarks de leurs particules respectives peuvent avoir un “espace plus grand pour jouer”.”
“En mécanique quantique, chaque fois que vous augmentez le volume sur lequel un objet est confiné, il ralentit. Si vous resserrez l’espace, il accélère. C’est un fait connu.”
L’équipe a analysé les données d’une expérience réalisée au détecteur CLAS du laboratoire Jefferson.
L’instrument a produit un faisceau d’électrons de 5,01 GeV pour sonder les noyaux de carbone, d’aluminium, de fer et de plomb par rapport au deutérium.
L’expérience a duré plusieurs mois et a permis d’accumuler des milliards d’interactions entre électrons et quarks.
Les physiciens ont calculé la vitesse du quark dans chaque interaction, en se basant sur l’énergie de l’électron après sa dispersion, puis ont comparé la vitesse moyenne du quark entre les différents atomes.
En examinant des angles de diffusion beaucoup plus petits, correspondant à des transferts de momentum d’une longueur d’onde différente, ils ont pu effectuer un “zoom arrière” de sorte que les électrons se dispersent sur les protons et les neutrons plus grands, plutôt que sur les quarks.
Les paires SRC sont généralement extrêmement énergétiques et diffusent donc des électrons à des énergies plus élevées que les protons et les neutrons non appariés, une distinction que les chercheurs ont utilisée pour détecter les paires SRC dans chaque matériau étudié.
“Nous voyons que ces paires à haut momentum sont la raison de ces quarks à mouvement lent”, a déclaré le Dr Or Hen, également du MIT, membre de l’équipe.
En particulier, ils ont découvert que les quarks dans les feuilles avec des noyaux atomiques plus grands (et plus de paires proton-neutron) se déplaçaient au maximum 20% plus lentement que le deutérium, le matériau avec le plus petit nombre de paires.
“Ces paires de protons et de neutrons ont cette folle interaction à haute énergie, très rapidement, et se dissipent ensuite”, a déclaré le Dr Schmidt.
“Pendant ce temps, l’interaction est beaucoup plus forte que la normale et les nucléons ont un chevauchement spatial important. Nous pensons donc que les quarks dans cet état ralentissent beaucoup.”
Leurs données montrent pour la première fois que le ralentissement de la vitesse d’un quark dépend du nombre de paires SRC dans un noyau atomique.
Les quarks dans le plomb, par exemple, étaient beaucoup plus lents que ceux dans l’aluminium, qui eux-mêmes étaient plus lents que le fer, et ainsi de suite.
“Comprendre comment les quarks interagissent est vraiment l’essence de la compréhension de la matière visible dans l’Univers”, a déclaré le Dr Hen.
Cet effet CEM, même s’il est de 10 à 20%, est quelque chose de si fondamental que nous voulons le comprendre…”.il.”
Les résultats sont publiés dans la revue Nature.
