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La structure du neutron : tout le monde s'est trompé !

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Gerald A. Miller a encore frappé ! Après avoir montré que les protons n'avaient pas forcément une forme sphérique, le voilà qui remet en cause un des plus vieux modèles de la physique hadronique. Selon lui, le grand Enrico Fermi s'est trompé et avec lui tous les physiciens analysant les données obtenues en accélérateurs concernant la structure du neutron.

Enrico Fermi (1901-1954).

Aujourd'hui, tout le monde sait que le noyau des atomes est composé de protons et de neutrons. Mais ce qui est moins connu, c'est que l'on savait déjà depuis la fin des années 40 que les protons et les neutrons eux-mêmes étaient des objets complexes et non pas des points.

En fait, dès le début des années 30, et suite à la découverte du neutron par Chadwick, Heisenberg avait proposé que les forces nucléaires liant les protons entre eux soient analogues aux liaisons chimiques dans la molécule d'hydrogène ionisée. Tout comme l'échange d'électrons permet aux atomes de former une liaison dans les molécules, le neutron devait être un état lié transitoire d'un proton et d'un électron. Cet état lui-même devait servir d'intermédiaire entre deux protons liés par leur attrait commun pour l'électron.

Ce modèle se révéla rapidement intenable, principalement parce qu'il prédisait un moment cinétique de spin faux pour l'azote 14N déduit du spectre de  la molécule N2, et ce, en raison du spin non nul et demi-entier de l'électron. Toutefois, motivé par ce modèle ingénieux, Hideki Yukawa avait eu l'idée d'introduire une autre particule, mais de spin nul, le pion. Celui-ci était alors conçu comme une sorte de photon d'un nouveau champ de force : la force nucléaire forte.

Lorsqu'on découvrit dans les années 1940 que le pion pouvait exister sous une forme chargée, le modèle d'échange de Heisenberg  put être ressuscité. Fermi considéra alors qu'un neutron pouvait être transitoirement constitué par un proton lié à un pion chargé négativement.

Dans ce modèle, le neutron possédait donc un cœur chargé positivement. Lorsque des expériences de diffusions à plus hautes énergies furent réalisées, on constata effectivement que le neutron se comportait comme une distribution continue de charge avec un centre chargé positivement, à l'approximation expérimentale. Plus tard, le modèle des quarks et les expériences de diffusions avec des électrons relativistes ne firent que confirmer cette structure de la répartition effective des charges dans un neutron.

Une nouvelle interprétation des expériences de diffusions d'électrons

C'est là que Gerald A. Miller intervient. Professeur à l'University of Washington, c'est un spécialiste de la physique hadronique gouvernant le monde des particules sensibles aux interactions fortes comme les nucléons, les mésons, les hypérons résultant de combinaisons de quarks liées par des gluons. Il s'était déjà retrouvé sur le devant de la scène en 2003 en démontrant, calculs et expériences à l'appui, que les protons n'étaient pas toujours représentables par des petites boules chargées, mais qu'ils pouvaient aussi prendre plusieurs formes, dont celle d'un ballon de rugby.

D'après lui, comme il l'explique dans une publication de la célèbre revue Physical Review Letters, les calculs utilisés pour interpréter les expériences de diffusions à hautes énergies d'électrons sur des neutrons sont tout simplement faux. Les images  obtenues en mettant les nucléons sous une sorte de supermicroscope électronique  avec les faisceaux d'électrons relativistes, tels que ceux que l'on utilise au Thomas Jefferson National Accelerator Facility, au Bates Linear Accelerator du Massachusetts Institute of Technology et du Mainz Microtron de là Johannes Gutenberg University en Allemagne, une fois correctement traitées avec les bonnes formules théoriques, ne sont pas en accord avec le modèle de Fermi de 1947.

L'image qui émerge est bien celle d'un neutron avec une couche superficielle chargée négativement, mais le cœur lui-même est chargé négativement lui aussi. Ce qui bien sûr implique qu'une charge positive soit répartie entre les deux, afin que la somme totale soit nulle.

S'il a raison, cela pourrait avoir des implications importantes car, en comprenant mieux ce qui se passe à l'intérieur d'un nucléon, on peut imaginer gagner une précision de quelques chiffres dans les mesures, suffisante pour mettre en évidence une nouvelle physique, comme par exemple les théories supersymétriques ou de Grande Unification : Affaire à suivre !

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