Un “miroir” pour les protons et les neutrons permet aux scientifiques d’étudier les particules qui construisent notre univers.

Abstract Particle Physics Ion Accelerator Concept

Concept abstrait d'accélérateur d'ions en physique des particules

Une expérience d’exploration des noyaux miroirs ouvre la voie à de nouveaux détails sur les structures internes des protons et des neutrons.

Pour mieux comprendre les particules qui composent notre univers observable, les scientifiques tendent un “miroir” aux protons et aux neutrons. En comparant les noyaux dits “miroirs”, l’hélium 3 et le triton, l’expérience MARATHON menée au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du ministère américain de l’énergie a permis de découvrir de nouvelles informations sur les structures de ces particules. Les résultats ont été publiés dans Physical Review Letters le 9 février 2022.

Les quarks et les gluons, les particules fondamentales qui constituent une grande partie de la matière que nous voyons dans l’univers, sont enfouis profondément dans les protons et les neutrons qui composent les noyaux atomiques. Des recherches menées au Stanford Linear Accelerator Center du DOE (aujourd’hui connu sous le nom de SLAC National Accelerator Laboratory) et couronnées par le prix Nobel ont prouvé l’existence des quarks et des gluons il y a un demi-siècle.

Ces expériences révolutionnaires ont marqué le début d’une nouvelle ère de diffusion inélastique profonde. Les quarks et les gluons à l’intérieur des protons et des neutrons sont sondés à l’aide d’électrons de haute énergie qui se déplacent profondément à l’intérieur de ceux-ci.

“Lorsque nous parlons de diffusion inélastique profonde, nous voulons dire que les noyaux bombardés par les électrons du faisceau se brisent instantanément, révélant ainsi les nucléons qu’ils contiennent lorsque les électrons diffusés sont capturés par des systèmes de détection de particules de pointe”, explique Gerassimos (Makis) Petratos, professeur à la Kent State University et porte-parole et personne de contact de l’expérience MARATHON.

Les énormes systèmes de détection de particules qui recueillent les électrons issus de ces collisions mesurent leur momenta – une quantité qui comprend la masse et la vitesse des électrons.

Depuis ces premières expériences il y a cinq décennies, des expériences de diffusion inélastique profonde ont été réalisées dans le monde entier dans divers laboratoires. Ces expériences ont permis aux physiciens nucléaires de mieux comprendre le rôle des quarks et des gluons dans la structure des protons et des neutrons. Aujourd’hui, les expériences continuent à affiner ce processus pour en tirer des informations toujours plus détaillées.

Dans l’expérience MARATHON, qui vient de s’achever, les physiciens nucléaires ont comparé pour la première fois les résultats d’expériences de diffusion inélastique profonde sur deux noyaux miroirs afin d’en connaître la structure. Les physiciens ont choisi de se concentrer sur les noyaux d’hélium 3 et de tritium, qui est un isotope de l’hydrogène. Alors que l’hélium 3 possède deux protons et un neutron, le tritium possède deux neutrons et un proton. Si vous pouviez transformer l’hélium 3 en miroir en convertissant tous les protons en neutrons et les neutrons en protons, vous obtiendriez du tritium. C’est pourquoi on les appelle des noyaux miroirs.

Spectromètres à haute résolution Jefferson Lab

Deux systèmes de détection de particules à la pointe de la technologie, les spectromètres à haute résolution du hall expérimental A du laboratoire Jefferson, ont joué un rôle essentiel dans la collecte des données de l’expérience MARATHON. Crédit : Thomas Jefferson National Accelerator Facility.

“Nous avons utilisé le système de noyaux miroirs le plus simple qui existe, le tritium et l’hélium 3, et c’est pourquoi ce système est si intéressant”, a déclaré David Meekins, un scientifique du Jefferson Lab et un co-sponsor de l’expérience MARATHON.

“Il s’avère que si nous mesurons le rapport des sections transversales dans ces deux noyaux, nous pouvons accéder aux fonctions de structure des protons par rapport aux neutrons. Ces deux quantités peuvent être liées à la distribution des quarks up et down à l’intérieur des noyaux”, a déclaré Petratos.

Conçue pour la première fois lors d’un atelier d’été en 1999, l’expérience MARATHON a finalement été réalisée en 2018 dans l’installation d’accélérateur à faisceau d’électrons continu du Jefferson Lab, une installation d’utilisateur du DOE. Les plus de 130 membres de la collaboration expérimentale MARATHON ont surmonté de nombreux obstacles pour réaliser l’expérience.

Par exemple, MARATHON a eu besoin d’électrons à haute énergie rendus possibles par le projet de mise à niveau du CEBAF de 12 GeV qui s’est achevé en 2017, ainsi que d’un système de cible spécialisé pour le tritium.

“Pour cette expérience individuelle, le plus grand défi était clairement la cible. Le tritium étant un gaz radioactif, nous devions assurer la sécurité avant tout”, a expliqué Meekins. “Cela fait partie de la mission du laboratoire : Il n’y a rien de si important que nous puissions sacrifier la sécurité.”

L’expérience a envoyé des électrons de 10,59 GeV (milliards d’électrons-volts) dans quatre cibles différentes du hall expérimental A. Les cibles comprenaient de l’hélium 3 et trois isotopes d’hydrogène, dont le tritium.Les électrons sortants ont été collectés et mesurés avec les spectromètres haute résolution gauche et droit du hall.

Une fois la prise de données terminée, la collaboration a travaillé pour analyser soigneusement les données. La publication finale incluait les données originales pour permettre aux autres groupes d’utiliser les données sans modèle dans leurs propres analyses. Elle proposait également une analyse dirigée par Petratos qui est basée sur un modèle théorique avec des corrections minimales.

“Ce que nous voulions faire comprendre, c’est que voici la mesure que nous avons faite, voici comment nous l’avons faite, voici l’extraction scientifique de la mesure et voici comment nous l’avons faite”, explique Meekins. “Nous n’avons pas à nous soucier de favoriser un modèle plutôt qu’un autre – tout le monde peut prendre les données et les appliquer.”

En plus de fournir une détermination précise du rapport de la fonction de structure proton/neutron, les données comprennent également des mesures de momentum électronique de ces noyaux miroirs plus élevées que ce qui était disponible auparavant. Cet ensemble de données de haute qualité ouvre également une porte à des analyses détaillées supplémentaires pour répondre à d’autres questions en physique nucléaire, comme par exemple pourquoi les quarks sont distribués différemment à l’intérieur des noyaux par rapport aux protons et neutrons libres (un phénomène appelé l’effet EMC) et d’autres études des structures des particules dans les noyaux.

En discutant des résultats, les porte-parole de MARATHON ont rapidement attribué les résultats finaux au travail acharné des membres de la collaboration.

“Le succès de cette expérience est dû au groupe exceptionnel de personnes qui ont participé à l’expérience et aussi au soutien que nous avons reçu du Jefferson Lab”, a déclaré Mina Katramatou, professeur à la Kent State University et co-porte-parole de l’expérience MARATHON. “Nous avions également un groupe fantastique de jeunes physiciens travaillant sur cette expérience, y compris des chercheurs postdoctoraux en début de carrière et des étudiants diplômés.”

“Il y avait cinq étudiants diplômés qui ont obtenu leurs thèses de recherche à partir de ces données”, a confirmé Meekins. “Et ce sont de bonnes données, nous avons fait un bon travail, et c’était difficile à faire”.

Référence : ” Measurement of the Nucleon Fn2/Fp2 Structure Function Ratio by the Jefferson Lab MARATHON Tritium/Helium-3 Deep Inelastic Scattering Experiment ” par D. Abrams, H. Albataineh, B. S. Aljawrneh, S. Alsalmi, D. Androic, K. Aniol, W. Armstrong, J. Arrington, H. Atac, T. Averett, C. Ayerbe Gayoso, X. Bai, J. Bane, S. Barcus, A. Beck, V. Bellini, H. Bhatt, D. Bhetuwal, D. Biswas, D. Blyth, W. Boeglin, D. Bulumulla, J. Butler, A. Camsonne, M. Carmignotto, J. Castellanos, J.- P. Chen, E. O. Cohen, S. Covrig, K. Craycraft, R. Cruz-Torres, B. Dongwi, B. Duran, D. Dutta, E. Fuchey, C. Gal, T. N. Gautam, S. Gilad, K. Gnanvo, T. Gogami, J. Gomez, C. Gu, A. Habarakada, T. Hague, J.-O. Hansen, M. Hattawy, F. Hauenstein, D. W. Higinbotham, R. J. Holt*, E. W. Hughes, C. Hyde, H. Ibrahim, S. Jian, S. Joosten, A. Karki, B. Karki, A. T. Katramatou, C. Keith, C. Keppel, M. Khachatryan, V. Khachatryan, A. Khanal, A. Kievsky, D. King, P. M. King, I. Korover, S. A. Kulagin, K. S. Kumar, T. Kutz, N. Lashley-Colthirst, S. Li, W. Li, H. Liu, S. Liuti, N. Liyanage, P. Markowitz, R. E. McClellan, D. Meekins, S. Mey-Tal Beck, Z.- E. Meziani, R. Michaels, M. Mihovilovic, V. Nelyubin, D. Nguyen, Nuruzzaman, M. Nycz, R. Obrecht, M. Olson, V. F. Owen, E. Pace, B. Pandey, V. Pandey, M. Paolone, A. Papadopoulou, S. Park, S. Paul, G. G. Petratos, R. Petti, E. Piasetzky, R. Pomatsalyuk, S. Premathilake, A. J. R. Puckett, V. Punjabi, R. D. Ransome, M. N. H. Rashad, P. E. Reimer, S. Riordan, J. Roche, G. Salmè, N. Santiesteban, B. Sawatzky, S. Scopetta, A. Schmidt, B. Schmookler, J. Segal, E. P. Segarra, A. Shahinyan, S. Širca, N. Sparveris, T. Su, R. Suleiman, H. Szumila-Vance, A. S. Tadepalli, L. Tang, W. Tireman, F. Tortorici, G. M. Urciuoli, B. Wojtsekhowski, S. Wood, Z. H. Ye, Z. Y. Ye, et J. Zhang, 9 février 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.132003

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