samedi 19 mai 2018

Première mesure de la pression interne dans un proton

Pour la première fois, une mesure de la pression régnant à l’intérieur du proton a été mesurée, et elle est absolument énorme, bien plus élevée que la pression que l’on rencontre au cœur des étoiles à neutrons !...



Les chercheurs américains du Thomas Jefferson National Accelerator Facility ont réussi une prouesse : mesurer la pression que subissent les trois quarks constituant le proton. A proximité du centre du proton, à 0,6 fm, la pression se monte à 1035 Pa, ce qui fait 1030 atmosphères, d’après Volker Burkert et son équipe qui publient leurs résultats cette semaine dans la revue Nature. Cette pression est environ 10 fois plus élevée que celle qui a été calculée au centre des étoiles à neutrons, la plus élevée qui était connue. Volker Burkert et ses collègues trouvent l’existence une très intense pression dirigée vers l’extérieur en partant du centre du proton, puis qui devient plus étendue mais plus faible, dirigée vers l’intérieur lorsque l’on s’éloigne du centre. Cette distribution spatiale bizarre de la pression interne est dirigée par la force nucléaire forte qui lie les quarks entre eux, elle reflète donc aussi la distribution spatiale de cette force fondamentale. C’est la première fois qu’une telle mesure permet d’explorer en détail la force nucléaire forte.
Les physiciens ont réussi ce tour de force grâce à la connexion de ce qu’on appelle les facteurs de forme gravitationnels du proton et ses distributions de partons généralisés. Les facteurs de forme gravitationnels décrivent ce que serait la structure mécanique du proton si on pouvait le sonder avec la force gravitationnelle (des gravitons), et les distributions de partons généralisés sont des paramètres qui permettent de produire une cartographie en 3D de la structure du proton lorsqu’il est sondé via la force électromagnétique. Des travaux théoriques récents ont permis de trouver un lien entre les distributions de partons généralisés et les facteurs de forme gravitationnels, c’est cette connexion qui permet d’utiliser une sonde électromagnétique au lieu d’une sonde gravitationnelle pour explorer la structure mécanique du proton et qu’ont exploitée les chercheurs américains. Le théoricien Heinz Pagels qui inventa en 1966 les facteurs de forme gravitationnels pour les nucléons, estimait à l’époque qu’il n’y aurait aucun espoir d’apprendre quoi que ce soit sur la structure mécanique d’une particule, du fait de la très faible intensité de la force gravitationnelle. Il fallait juste attendre 50 ans…

La sonde électromagnétique qu’ont utilisée Volker Burkert et ses collaborateurs prend la forme d’un faisceau d’électrons produits et accélérés à 6 GeV par l’accélérateur CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility), où ils sont lancés sur une cible d’hydrogène liquide et où ils vont interagir avec les quarks à l’intérieur des protons via le processus appelé « diffusion Compton profondément virtuelle ». Dans ce processus, l’électron incident pénètre dans le proton et échange un photon virtuel avec un quark, lui transférant de l’énergie au passage. C’est en fait le photon virtuel qui est exploité ici comme sonde de la distribution des quarks dans le proton.
Un très court temps plus tard, le proton réémet cette énergie sous la forme d’un nouveau photon gamma énergétique, bien réel. Les physiciens mesurent en coïncidence l’électron diffusé, le proton de recul et le photon gamma réémis. Ce processus se retrouve équivalent à ce que donnerait l’interaction d’un faisceau de gravitons sur les quarks, ce qui permet de déterminer les facteurs de forme gravitationnels, et donc la structure mécanique interne du proton et la distribution de pression sur les quarks.
Cette première mesure du genre va maintenant pouvoir être améliorée, notamment sur l’aspect de la précision des mesures, pour révéler d’autres propriétés mécaniques du proton, comme son rayon physique, ou ses forces de cisaillement internes par exemple.
Volker Burkert et ses collègues espèrent que ce type d’expérience permettra de faire avancer les théoriciens, par exemple pour tester des nouvelles théories, encore nécessaires pour comprendre cette caractéristique fondamentale du proton qu’est sa stabilité, sans laquelle l’Univers serait bien différent.

Source
The pressure distribution inside the proton
V. D. Burkert, L. Elouadrhiri & F. X. Girod
Nature 557, pages396–399 (16 may 2018)


Illustration

1) Graphe montrant la distribution de la pression (produit de la pression par le rayon au carré) à l'intérieur du proton en fonction de la distance radiale, mesurée par les auteurs (V. D. Burkert et al.)
2) Un des deux accélérateurs linéaires supraconducteurs de CEBAF (Thomas Jefferson National Accelerator Facility)