Une expérience explorant les noyaux miroirs ouvre la porte à de nouveaux détails sur les structures internes des protons et des neutrons

Les particules fondamentales qui forment la majeure partie de la matière que nous voyons dans l’univers – les quarks et les gluons – sont enfouies profondément à l’intérieur des protons et des neutrons, les nucléons qui composent les noyaux atomiques. L’existence des quarks et des gluons a été confirmée pour la première fois il y a un demi-siècle lors d’expériences lauréates du prix Nobel menées au Stanford Linear Accelerator Center du DOE (maintenant connu sous le nom de SLAC National Accelerator Laboratory).

Ces expériences inédites ont introduit l’ère de la diffusion inélastique profonde. Cette méthode expérimentale utilise des électrons de haute énergie qui voyagent profondément à l’intérieur des protons et des neutrons pour y sonder les quarks et les gluons.

“Quand nous parlons de diffusion inélastique profonde, ce que nous voulons dire, c’est que les noyaux bombardés d’électrons dans le faisceau se brisent instantanément, révélant ainsi les nucléons à l’intérieur d’eux lorsque les électrons diffusés sont capturés avec des systèmes de détection de particules de pointe”, a déclaré Gerassimos ( Makis) Petratos, professeur à la Kent State University et porte-parole et personne de contact pour l’expérience MARATHON.

Les énormes systèmes de détection de particules qui collectent les électrons qui émergent de ces collisions mesurent leur impulsion – une quantité qui comprend la masse et la vitesse des électrons.

Depuis ces premières expériences il y a cinq décennies, des expériences de diffusion inélastique profonde ont été réalisées dans le monde entier dans divers laboratoires. Ces expériences ont alimenté la compréhension des physiciens nucléaires du rôle des quarks et des gluons dans les structures des protons et des neutrons. Aujourd’hui, les expériences continuent d’affiner ce processus pour démêler des informations toujours plus détaillées.

Dans l’expérience MARATHON récemment achevée, les physiciens nucléaires ont comparé pour la première fois les résultats d’expériences de diffusion inélastique profonde dans deux noyaux miroirs pour en savoir plus sur leurs structures. Les physiciens ont choisi de se concentrer sur les noyaux d’hélium-3 et de tritium, qui est un isotope de l’hydrogène. Alors que l’hélium-3 a deux protons et un neutron, le tritium a deux neutrons et un proton. Si vous pouviez « refléter » la transformation de l’hélium-3 en convertissant tous les protons en neutrons et les neutrons en protons, le résultat serait du tritium. C’est pourquoi ils sont appelés noyaux miroirs.

“Nous avons utilisé le système de noyaux miroirs le plus simple qui existe, le tritium et l’hélium-3, et c’est pourquoi ce système est si intéressant”, a déclaré David Meekins, scientifique du Jefferson Lab et co-porte-parole de l’expérience MARATHON.

“Il s’avère que si nous mesurons le rapport des sections efficaces dans ces deux noyaux, nous pouvons accéder aux fonctions de structure des protons par rapport aux neutrons. Ces deux quantités peuvent être liées à la distribution des quarks up et down à l’intérieur des noyaux”, a déclaré Petratos. mentionné.

Conçue pour la première fois lors d’un atelier d’été en 1999, l’expérience MARATHON a finalement été réalisée en 2018 dans l’installation d’accélérateur à faisceau électronique continu du Jefferson Lab, une installation utilisateur du DOE. Les plus de 130 membres de la collaboration expérimentale MARATHON ont surmonté de nombreux obstacles pour mener à bien l’expérience.

Par exemple, MARATHON avait besoin des électrons de haute énergie rendus possibles par le projet de mise à niveau CEBAF de 12 GeV achevé en 2017, ainsi que d’un système cible spécialisé pour le tritium.

“Pour cette expérience individuelle, le plus grand défi était clairement la cible. Le tritium étant un gaz radioactif, nous devions assurer la sécurité avant tout”, a expliqué Meekins. “Cela fait partie de la mission du laboratoire : il n’y a rien de si important que nous puissions sacrifier la sécurité.”

L’expérience a envoyé des électrons de 10,59 GeV (milliards d’électrons-volts) dans quatre cibles différentes dans le hall expérimental A. Les cibles comprenaient de l’hélium-3 et trois isotopes de l’hydrogène, dont le tritium. Les électrons sortants ont été collectés et mesurés avec les spectromètres haute résolution gauche et droit du hall.

Une fois la prise de données terminée, la collaboration s’est efforcée d’analyser soigneusement les données. La publication finale comprenait les données originales pour permettre à d’autres groupes d’utiliser les données sans modèle dans leurs propres analyses. Il a également proposé une analyse dirigée par Petratos qui est basée sur un modèle théorique avec des corrections minimales.

“Ce que nous voulions clarifier, c’est que c’est la mesure que nous avons faite, c’est comme ça que nous l’avons fait, c’est l’extraction scientifique de la mesure et c’est comme ça que nous avons fait”, explique Meekins. “Nous n’avons pas à nous soucier de favoriser un modèle plutôt qu’un autre – n’importe qui peut prendre les données et les appliquer.”

En plus de fournir une détermination précise du rapport des rapports de fonction de structure proton/neutron, les données incluent également des mesures de moment électronique plus élevées de ces noyaux miroirs que celles qui étaient disponibles auparavant. Cet ensemble de données de haute qualité ouvre également la porte à des analyses détaillées supplémentaires pour répondre à d’autres questions de physique nucléaire, comme pourquoi les quarks sont distribués différemment à l’intérieur des noyaux par rapport aux protons et neutrons libres (un phénomène appelé l’effet EMC) et d’autres études de les structures des particules dans les noyaux.

En discutant des résultats, les porte-parole du MARATHON n’ont pas tardé à créditer le travail acharné des membres de la collaboration pour les résultats finaux.

“Le succès de cette expérience est dû au groupe exceptionnel de personnes qui ont participé à l’expérience et également au soutien que nous avons reçu de Jefferson Lab”, a déclaré Mina Katramatou, professeur à la Kent State University et co-porte-parole de l’expérience MARATHON. “Nous avions également un groupe fantastique de jeunes physiciens travaillant sur cette expérience, y compris des chercheurs postdoctoraux en début de carrière et des étudiants diplômés.”

“Il y avait cinq étudiants diplômés qui ont obtenu leur recherche de thèse à partir de ces données”, a confirmé Meekins. “Et ce sont de bonnes données, nous avons fait du bon travail et c’était difficile à faire.”