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Le mystère du spin du proton se désépaissit

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L'origine du spin des protons est l'une des grandes énigmes encore non résolues de la physique des particules élémentaires. De nouvelles analyses des expériences effectuées avec le RHIC, le célèbre collisionneur d'ions lourds aux États-Unis, feraient maintenant jouer un rôle important aux gluons. Ces particules, en quelque sorte les photons de la force nucléaire liant les quarks au sein d'un proton, pourraient rendre compte de la moité de son spin.

Une vue du détecteur Star du RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). On se sert notamment de cet accélérateur pour produire un plasma de quarks-gluons en provoquant entre en collisions des ions lourds, par exemple des noyaux d'or. © Brookhaven National Lab

En physique quantique, il existe deux manières d'associer un moment cinétique à une particule. Un électron en orbite autour du noyau d'un atome possède un moment cinétique orbital, tout comme une planète autour du Soleil. En poussant l'analogie plus loin, et bien qu'il faille se méfier de nos intuitions issues du quotidien une fois franchie la porte du domaine quantique, on peut considérer, comme George Uhlenbeck et Samuel Goudsmit l'ont fait en 1925, que l'électron est un peu aussi une sphère en rotation sur elle-même. Il doit donc posséder un moment cinétique propre que l'on appelle le spin.

Wolfgang Pauli fut le premier à trouver une description purement quantique du spin de l'électron en 1927 dans le cadre de la mécanique quantique matricielle découverte, par Werner Heisenberg deux ans avant. En fait, Pauli avait introduit le spin en physique dès 1924 dans ses travaux en physique atomique. Mais il ne s'agissait alors pour lui que d'un nouveau nombre quantique introduit pour rendre compte de façon un peu ad hoc du spectre fin de l'atome d'hydrogène. C'est Paul Dirac qui a finalement montré, avec sa version relativiste de l'équation de Schrödinger pour les électrons, d'où venait vraiment le spin en physique, en le reliant à la géométrie de l'espace-temps et à ses symétries.

De nos jours, les particules sont classées en deux grandes familles, celles qui possèdent un spin dont les valeurs sont demi-entières (en prenant comme unité de base la constante de Planck réduite) et celles de spin entier. Les premières sont des fermions comme le proton, les neutrinos, les quarks et l'électron. Les particules à spin entier sont les bosons, comme le photon et les gluons. Tout comme le moment orbital d'une planète peut s'ajouter à son moment cinétique propre, le moment orbital d'un électron et son spin peuvent s'additionner. Il faut parfois aussi y ajouter celui des protons et des neutrons présents dans les noyaux pour obtenir le moment cinétique total d'un atome.

De gauche à droite, Samuel Goudsmit et Wolfgang Pauli lors d'une réunion au Caltech en 1931. © Caltech Archives

Moments cinétiques orbitaux ou spin des gluons ?

De multiples expériences ont établi sans doute possible que les protons sont composés de 3 quarks liés par la force nucléaire forte décrite par les équations de la chromodynamique quantique, la QCD. Or, les quarks possèdent le même spin que le proton. Représentons-le par une flèche possédant une direction et un sens donnés. On a d'abord naïvement pensé que deux de ces quarks avaient des spins parallèles mais des sens opposés, ce qui expliquait l'égalité entre la valeur du spin du proton et celle d'un seul quark. Mais en 1988, les membres de la collaboration EMC (European Muon Collaboration), au Cern, ont annoncé que les résultats de leurs expériences ne cadraient pas avec cette hypothèse, déclenchant ce que l'on nomme la crise du spin du proton. Les quarks semblent en effet s'orienter de telle sorte que leurs spins n'expliquent qu'un quart de la valeur de celui du proton.

Depuis lors, les physiciens cherchent à résoudre cette énigme de la physique de plusieurs façons, à l'aide d'expériences ou de calculs théoriques. En fait, depuis la découverte des équations de la QCD, a émergé l'idée que les nucléons, comme le proton et le neutron, ne peuvent pas être considérés comme des sortes d'atomes formés par l'association de trois quarks. Les forces nucléaires entre ces quarks sont véhiculées par des cousins des photons que l'on appelle les gluons. Ils possèdent eux aussi un spin, qui est entier, et le caractère non linéaire des équations de la QCD fait que l'intérieur d'un proton est en réalité un mélange très complexe et turbulent de gluons et de quarks. Jusqu'à un certain point, la puissance de calcul informatique peut résoudre ces équations, comme l'a montré en 2008 la spectaculaire dérivation de la masse du proton et d'autres hadrons légers. Mais le problème est encore difficile pour le calcul de son spin.

De nouvelles analyses d'expériences menées au célèbre RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), aux États-Unis, laissent maintenant penser à un groupe de chercheurs (comme ils l'expliquent dans un article sur arxiv) qu'une partie de la valeur du spin du proton viendrait en fait des gluons qui apparaissent et disparaissent sans cesse entre les quarks qui le constituent. Il se pourrait même que la moitié au moins de sa valeur en provienne. Le reste du moment cinétique du proton viendrait alors des mouvements des gluons et des quarks, c'est-à-dire qu'il serait assimilable à un moment cinétique orbitale total.