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Des progrès vers une vision en 3D de l'intérieur du proton

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Il faut trois quarks pour former un nucléon comme le proton. Au-delà de cette composition, on sait seulement que l'intérieur de cette particule est bien plus complexe et étrange que celui d'un atome. Des expériences réalisées au Cebaf, un accélérateur d'électrons américain, éclairent - un peu - ce mystère, montrant que les quarks se répartissent en deux hémisphères.

Une vue du spectromètre de grande acceptance du Cebaf (Cebaf Large Acceptance Spectrometer ou CLAS en anglais). Ce détecteur est particulièrement adapté à l'étude des réactions qui donnent accès à des informations sur la structure du nucléon, grâce aux distributions de partons généralisées (generalized parton distributions ou GPD en anglais). © Jefferson Lab

On peut souvent lire que les nucléons, les pions et les hypérons sont des hadrons formés de quarks. Mais les spécialistes de la chromodynamique quantique savent bien que c'est une expression trompeuse. À strictement parler, on peut même dire que les trois quarks des nucléons comme le proton ne s'organisent pas aussi simplement que dans la structure d’un atome de deutérium, formé d'un électron, d'un neutron et d'un proton.

La difficile acceptation du modèle des quarks

Dès le début des années 1960, lorsque des théoriciens comme Murray Gell-Mann et George Zweig ont proposé la théorie des quarks, peu de monde les prenait au sérieux. Certains scientifiques voulaient bien reconnaître que tout se passait bien, comme si les hadrons connus à l'époque étaient constitués de fermions de spin 1/2 (avec de nouveaux nombres quantiques comme la couleur et l'étrangeté).

Mais pour beaucoup, il ne s'agissait que de simples astuces mathématiques issues de la théorie des groupes. Le fait que ces quarks devaient avoir des charges électriques fractionnaires et qu'il soit impossible de les observer à l'état libre dans des collisions plaidait en la faveur de ceux qui doutaient de l'existence réelle d'une structure composite formée des quarks de Gell-Mann et Zweig.

De gauche à droite, vers 1959, Murray Gell-Mann et Richard Feynman. Les deux futurs prix Nobel de physique étaient en désaccord sur la façon de concevoir la structure du proton dans les années 1960. © California Institute of Technology, archives photo

On comprend donc probablement pourquoi lorsque vers la fin des années 1960, Richard Feynman a commencé à proposer ses modèles de l'intérieur des hadrons, il a employé le terme de parton. L'idée que ces hadrons étaient composés de parties était bien là, mais elle était en quelque sorte dissociée de la notion de particule en théorie quantique des champs. Ce modèle ne faisait pas forcément intervenir le modèle des quarks, ni même les caractéristiques d'une particule, comme son spin ou sa charge. Le modèle des partons était cependant soutenu par des expériences en court à ce moment-là, avec des faisceaux d'électrons. C'était un peu comme si l'on disposait d'une sorte de supermicroscope électronique, à savoir l'accélérateur du Stanford Linear Accelerator Center (Slac), pour observer l'intérieur des protons.

La révolution des champs de Yang-Mills des années 1970

De 1967 à 1973  les expériences de Jerome Friedman, Henry Kendall et Richard Taylor, qui reçurent le prix Nobel pour leurs travaux, montrèrent finalement que tout fonctionnait effectivement comme si les électrons entraient en interaction avec des particules chargées de spin 1/2. Au cours des années 1970, le modèle des quarks fut finalement largement admis et monta en puissance. Ce changement de point de vue s'explique par la réalisation d'autres expériences et leurs interprétations dans le cadre de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie des champs de type Yang-Mills des forces nucléaires fortes.

De gauche à droite, les prix Nobel de physique Frank Wilczek, Gerard 't Hooft et David Gross. Les travaux théoriques des trois scientifiques ont fortement assis la théorie des quarks et la QCD. © Fridger Schrempp

On comprit alors que si des nucléons étaient bien construits à partir de trois quarks liés entre eux par des cousins du photon, les gluons, leur structure était très complexe. Du fait du caractère non linéaire des équations de la QCD, les champs de matière et d'interaction associés à des quarks conçus comme isolés sont profondément modifiés. L'intérieur d'un proton apparaît alors comme un état complexe de ces champs où l'essentiel de la masse n'est pas porté par les quarks, mais par les champs de gluons qui confinent les quarks et les empêchent de se retrouver à l'état libre.

Depuis, on cherche à mieux comprendre la structure des nucléons dans des expériences similaires à celles du Slac car, comme bien souvent avec des phénomènes hautement non linéaires (comme ceux rencontrés avec les tourbillons en mécanique des fluides), on ne peut guère progresser uniquement par le calcul. Les expériences les plus connues de nos jours sont celles menées au Jefferson Lab avec l'accélérateur d'électrons Cebaf (Continuous Electron Beam Accelerator Facility). Des chercheurs travaillant dans ce laboratoire viennent de publier sur arxiv les résultats d'une expérience assez étonnante, effectuée en 2005.

Des quarks qui se positionnent selon leur spin

Les scientifiques ont commencé par bombarder d'électrons les protons d'une cible fixe, d'une façon appropriée. En entrant en collision avec les quarks sans détruire les protons, les électrons y provoquent parfois une réaction de production de mésons π neutres. Sous l'effet du choc, les protons acquièrent un mouvement de recul que les chercheurs ont mesuré, et la trajectoire de l'électron est modifiée. Ce sont surtout les impulsions des mésons π dans un plan perpendiculaire à la trajectoire initiale des faisceaux d'électrons qui sont particulièrement étudiées.

Au final, les données obtenues ont été injectées dans des calculs fort longs et complexes, faisant usage de ce qu'on appelle des distributions de partons généralisées (GPD ou generalized parton distributions en anglais), analogues à la fameuse distribution de Wigner.

Avec cette nouvelle méthode, il devient possible de reconstruire en 3D la structure des hadrons, c'est-à-dire les probabilités de trouver des quarks dans des états de position, d'impulsion et de moment cinétique donnés. Dans le cas du proton, les physiciens ont ainsi découvert que les quarks, selon l'orientation de leur spin vers le haut ou vers le bas, se répartissent dans deux hémisphères différents.

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