Les physiciens travaillant avec l’expérience ALICE au Grand collisionneur de hadrons du CERN ont réalisé la mesure la plus détaillée à ce jour du comportement des gluons à l’intérieur des noyaux, trouvant des preuves que les particules peuvent atteindre un état densément compacté appelé saturation des gluons.
« Bien que les quarks soient souvent décrits comme les éléments fondamentaux de la matière, presque toute la masse de l’Univers visible provient en réalité de l’énergie transportée par les gluons et de la force puissante qui lie les quarks entre eux », a déclaré le professeur Daniel Tapia Takaki de l’Université du Kansas, membre de la collaboration ALICE.
« Comprendre comment les gluons se comportent à l’intérieur des noyaux est donc essentiel pour comprendre comment la matière elle-même acquiert sa masse et sa structure. »
Pour étudier la façon dont les gluons fluctuent au sein des noyaux avec une résolution spatiale plus grande que ce qui était auparavant possible, les physiciens d’ALICE ont utilisé une technique expérimentale appelée production photonucléaire incohérente J/ψ.
« Les mesures ont été effectuées à l’aide des données collectées lors de l’exécution 2 du Grand collisionneur de hadrons, au cours de laquelle des noyaux de plomb se déplaçant rapidement se croisent sans entrer en collision directe », a déclaré le professeur Tapia Takaki.
« Lors de ces rencontres, des champs électromagnétiques intenses entourant les noyaux se comportent comme des faisceaux de photons de haute énergie. »
« Quand l’un de ces photons frappe un autre noyau, il peut produire brièvement une particule appelée J/ψ, dont la production fournit une sonde sensible de la structure sous-jacente du gluon. »
Contrairement à d’autres mesures qui font une moyenne sur l’ensemble du noyau, la production incohérente de J/ψ est sensible aux fluctuations locales de la densité des gluons, permettant aux physiciens de sonder des structures plus petites qu’un proton.
Ces champs de gluons intenses, présents à l’intérieur de chaque noyau atomique, constituent la quasi-totalité de la matière visible de l’Univers.
Pourtant, leur comportement collectif reste l’un des plus grands défis de la physique moderne.
« Nos expériences utilisant une production incohérente, c’est comme passer d’une image floue à un microscope à haute résolution », a déclaré le professeur Tapia Takaki.
« Ce processus nous permet de voir comment les gluons fluctuent et s’organisent à l’intérieur des noyaux. »
« En faisant varier le transfert d’impulsion, notre expérience modifie efficacement la focalisation de notre microscope. »
« À des résolutions de 0,6, 0,3 et 0,2 femtomètres, ALICE a progressivement sondé des régions plus petites à l’intérieur du noyau. »
« La résolution la plus fine correspond à des structures d’environ un quart seulement de la taille d’un proton. »
« À ces échelles extraordinaires, nous observons des preuves que les gluons commencent à se comporter collectivement, un phénomène connu sous le nom de saturation des gluons. »
Le professeur Tapia Takaki et ses collègues ont mesuré la production incohérente de J/ψ sur une large gamme d’énergies photons-noyau – de 20 à 633 milliards d’électrons-volts – tout en examinant également comment l’interaction change avec le transfert d’impulsion, qui correspond à la finesse avec laquelle le noyau est sondé.
« Les résultats ont révélé une tendance frappante », a déclaré le professeur Tapia Takaki.
« Aux plus petites échelles spatiales explorées dans l’expérience, le taux de production de particules J/ψ est considérablement supprimé, avec une signification statistique d’environ trois écarts types. »
« Cette suppression remet en question une explication de longue date connue sous le nom d’observation nucléaire, qui a décrit avec succès des mesures précédentes. »
« Dans ce cadre, les gluons à l’intérieur d’un noyau se chevauchent partiellement et s’obscurcissent – comme des couches de nuages bloquant la lumière du soleil – réduisant la probabilité de certains processus de production de particules. »
« Les nouvelles mesures indiquent que l’observation nucléaire conventionnelle ne peut à elle seule expliquer complètement les données observées. »
« Au lieu de cela, les observations sont cohérentes avec un phénomène différent connu sous le nom de » saturation en gluons « , prédit par la théorie de la chromodynamique quantique, qui décrit la force forte. »
« Dans ce régime, les gluons deviennent si denses qu’ils commencent à interagir fortement les uns avec les autres, limitant ainsi leur nombre dans une région donnée. »
Les résultats de l’équipe ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
