Révélation de la structure interne du neutron
Une expérience de dix ans a offert le premier aperçu du tourbillon chaotique de particules à l’intérieur du neutron, ouvrant la voie à la résolution d’un mystère fondamental sur les éléments constitutifs de la matière.
À l’aide des données du détecteur de neutrons central du Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF) du Département de l’Énergie des États-Unis, les chercheurs commencent à cartographier la mécanique quantique du comportement des neutrons. Silvia Niccolai, directrice de la recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) français, qualifie cette avancée de jalon important pour les études sur les nucléons.
Les neutrons, comme les protons, sont composés de quarks liés par des gluons, mais leurs dynamiques internes sont loin d’être ordonnées. Au lieu d’une disposition soignée, ces particules existent dans une tempête quantique de création et d’annihilation constantes. Pour explorer ce chaos, les physiciens tirent traditionnellement des électrons sur des particules nucléaires et analysent les motifs de diffusion, simplifiant les résultats dans des cadres quantiques appelés partons.
Bien que des expériences précédentes avec des accélérateurs de particules haute énergie au TJNAF aient éclairé le comportement des protons, les neutrons se sont révélés plus insaisissables, les électrons diffusés échappant souvent à la détection. En 2011, les chercheurs ont commencé à développer un détecteur spécialisé en collaboration avec le CNRS, qui a été installé en 2017 et a débuté ses expériences en 2019. Malgré des défis tels que la contamination par les protons, un filtre d’apprentissage automatique a permis de raffiner les données.
Ces données ont déjà amélioré la compréhension d’une propriété mal comprise des neutrons : la distribution de partons généralisée (GPD) E. En comparant les résultats des neutrons et des protons, les chercheurs ont identifié des différences clés dans le comportement des quarks, offrant ainsi des aperçus sur la structure du spin des nucléons.
Le spin, une propriété quantique semblable au moment angulaire, a intrigué les physiciens pendant des décennies. Les quarks ne représentent qu’environ 30 % du spin total d’un nucléon, laissant le reste inexpliqué, un mystère connu sous le nom de « crise du spin ». Comprendre la GPD E pourrait fournir des indices cruciaux sur l’origine du spin restant, qu’il provienne des interactions de gluons ou d’autres phénomènes.
Grâce à cette avancée, les chercheurs disposent désormais des outils nécessaires pour comparer le fonctionnement interne des neutrons et des protons, promettant des avancées passionnantes en mécanique quantique et une compréhension plus profonde des forces qui façonnent l’univers.
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