Sous-structures inattendues dans les composantes fondamentales de toute matière

Quarks in Deuterium
Quarks dans le deutérium

Rendu artistique des quarks dans le deutérium. Crédit : Ran Shneor

Quarks et antiquarks à grande vitesse ébranlent les fondements de la matière visible

Les expériences du Jefferson Lab et du Fermilab présentent de nouveaux résultats sur la structure des nucléons.

Deux études indépendantes ont mis en lumière des sous-structures inattendues dans les composants fondamentaux de toute matière. Des résultats préliminaires utilisant une nouvelle méthode de marquage pourraient expliquer l’origine du paradoxe nucléaire de longue date connu sous le nom d’effet EMC. Pendant ce temps, les auteurs partageront les prochaines étapes après l’observation récente d’antimatière asymétrique dans le proton.

Les deux groupes discuteront de leurs expériences au Thomas Jefferson National Accelerator Facility et au Fermilab du DOE lors de la réunion d’automne 2021 de la division APS de physique nucléaire.

Une étude présente de nouvelles preuves de l’effet EMC, identifié il y a près de 40 ans lorsque des chercheurs de CERN découvert quelque chose de surprenant : les protons et les neutrons liés dans un noyau atomique peuvent modifier leur composition interne de quarks et de gluons. Mais pourquoi de telles modifications surviennent, et comment les prévoir, reste inconnue.

Pour la première fois, les scientifiques ont mesuré l’effet EMC en marquant les neutrons des spectateurs, faisant un pas important vers la résolution du mystère.

“Nous présentons les résultats initiaux et préliminaires d’une nouvelle mesure transformatrice d’un nouvel observable qui donne un aperçu direct de l’origine de l’effet EMC”, a déclaré Tyler T. Kutz, chercheur postdoctoral au Massachusetts Institute of Technology et chercheur postdoctoral Zuckerman à Tel Aviv University, qui dévoilera les conclusions lors de la réunion.

À l’intérieur du détecteur de neutrons à angle arrière (BAND) du Jefferson Lab, des neutrons de spectateurs marqués ont «divisé» la fonction d’onde nucléaire en différentes sections. Ce processus cartographie comment la quantité de mouvement et la densité affectent la structure des nucléons liés.

Les premiers résultats de l’équipe indiquent des effets potentiels importants et imprévus. Des observations préliminaires suggèrent une preuve directe que l’effet EMC est lié à des fluctuations de nucléons de densité locale élevée et de quantité de mouvement élevée.

“Les résultats peuvent avoir des implications majeures pour notre compréhension de la structure QCD de la matière visible”, a déclaré Efrain Segarra, étudiant diplômé à AVEC travailler sur l’expérience. La recherche pourrait éclairer la nature du confinement, les interactions fortes et la composition fondamentale de la matière.

Une équipe du Fermilab a trouvé des preuves que l’asymétrie de l’antimatière joue également un rôle crucial dans les propriétés des nucléons – une observation historique publié plus tôt cette année à La nature. Une nouvelle analyse indique que dans le cas le plus extrême, un seul antiquark peut être responsable de près de la moitié de la quantité de mouvement d’un proton.

“Ce résultat surprenant montre clairement que même à des fractions d’impulsion élevées, l’antimatière est une partie importante du proton”, a déclaré Shivangi Prasad, chercheur au Laboratoire national d’Argonne. “Cela démontre l’importance des approches non perturbatives de la structure du bloc de construction de base de la matière, le proton.”

Prasad discutera de l’expérience SeaQuest qui a trouvé plus d’antiquarks “down” que d’antiquarks “up” dans le proton. Elle partagera également des recherches préliminaires sur les distributions des quarks marins et des gluons.

“La collaboration SeaQuest a regardé à l’intérieur du proton en projetant un faisceau de protons à haute énergie sur des cibles constituées d’hydrogène (essentiellement des protons) et de deutérium (noyaux contenant des protons et des neutrons uniques)”, a déclaré Prasad.

« Au sein du proton, les quarks et les antiquarks sont maintenus ensemble par des forces nucléaires extrêmement puissantes, si puissantes qu’elles peuvent créer des paires de quarks antimatière-matière à partir de l’espace vide ! elle a expliqué. Mais les appariements subatomiques n’existent que pendant un instant fugace avant de s’annihiler.

Les résultats des antiquarks ont renouvelé l’intérêt pour plusieurs explications antérieures de l’asymétrie de l’antimatière dans le proton. Prasad prévoit de discuter des mesures futures qui pourraient tester les mécanismes proposés.

Réunion : Réunion d’automne 2021 de la Division de physique nucléaire de l’APS

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