Le noyau atomique est constitué de protons et de neutrons, eux-mêmes formés par l’interaction de quarks maintenus ensemble par des gluons. S’il semble logique de pouvoir déduire toutes les propriétés des noyaux atomiques uniquement à partir de ces composants fondamentaux, la réalité expérimentale s’est avérée bien plus complexe. Jusqu’à présent, reproduire les observations faites à basse énergie avec un modèle basé exclusivement sur les quarks et les gluons relevait de l’impossible. Une équipe internationale de physiciens vient pourtant de relever ce défi historique.
Deux visions de la matière enfin réunies
Près d’un siècle s’est écoulé depuis la découverte des protons et des neutrons. D’abord considérées comme indivisibles, ces particules ont révélé leur structure interne dans les années 1960 : une dynamique complexe de quarks perpétuellement liés par des gluons. Bien que l’existence de ces sous-particules ait été rapidement confirmée, un fossé théorique s’est creusé. Pendant des décennies, les scientifiques se sont heurtés à un mur d’incompréhension lorsqu’ils tentaient d’utiliser les modèles quarks-gluons pour expliquer les résultats des expériences nucléaires à basse énergie, où seuls les protons et les neutrons sont visibles.
Cette impasse scientifique vient d’être franchie grâce à des travaux publiés dans la prestigieuse revue Physical Review Letters. Menée par la collaboration internationale nCTEQ, cette recherche implique notamment des théoriciens de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN). Le docteur Aleksander Kusina, l’un des chercheurs principaux, explique : « Jusqu’à présent, nous avions deux descriptions parallèles des noyaux atomiques : l’une basée sur les protons et les neutrons à basse énergie, et l’autre sur les quarks et les gluons à haute énergie. Dans notre travail, nous avons réussi à rassembler ces deux mondes jusqu’ici séparés. »
Sonder le cœur de l’atome avec des collisions à haute énergie
Pour observer l’infiniment petit, les physiciens provoquent des collisions entre les noyaux atomiques et des particules chargées, généralement des électrons, puis analysent méticuleusement les résultats. À basse énergie, le noyau se comporte comme un assemblage classique de nucléons (protons et neutrons). À haute énergie, en revanche, ce sont les partons (quarks et gluons) qui se manifestent à l’intérieur du noyau.
Afin de concilier ces deux comportements, l’équipe s’est appuyée sur les données de collisions à haute énergie, incluant celles récoltées au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, à Genève. Leur objectif était d’étudier la structure partonique des noyaux atomiques à l’aide des fonctions de distribution de partons (PDF). Ces fonctions mathématiques permettent de cartographier la répartition des quarks et des gluons au sein des nucléons et dans l’ensemble du noyau, permettant ainsi de prédire la probabilité de création de particules lors d’une collision.
Le rôle crucial des paires de nucléons
L’innovation théorique majeure de cette étude réside dans l’extension astucieuse de ces fonctions de distribution. Les chercheurs se sont inspirés des modèles nucléaires à basse énergie qui postulent que les protons et les neutrons ont tendance à se regrouper en paires fortement interactives : proton-neutron, proton-proton ou neutron-neutron.
Cette nouvelle approche a permis de déterminer avec précision la distribution des partons pour 18 noyaux atomiques différents, en tenant compte de ces paires corrélées. Les résultats ont confirmé une observation bien connue des expériences à basse énergie : la grande majorité de ces paires sont constituées d’un proton et d’un neutron, un phénomène particulièrement flagrant dans les noyaux lourds comme ceux de l’or ou du plomb.
En intégrant ce phénomène d’appariement au niveau des partons, les physiciens ont non seulement simplifié la description théorique, mais ils ont également obtenu une meilleure correspondance avec les données expérimentales que les méthodes traditionnelles. Cette avancée spectaculaire ouvre de nouvelles perspectives pour une compréhension unifiée et beaucoup plus précise de la structure intime de la matière, réconciliant enfin les observations à basse et haute énergie.
Source : phys.org
