Une mesure précise de la façon dont la structure d’un proton se déforme dans un champ électrique a révélé de nouveaux détails sur un pic inexpliqué dans les données sur les protons


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  • Les physiciens nucléaires ont confirmé que la description actuelle de la structure du proton n’est pas toujours fluide. Une nouvelle mesure de précision de la polarisabilité électrique du proton effectuée au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l’Énergie a révélé une augmentation des données dans les sondes de la structure du proton. Bien que largement considérée comme un hasard lors de mesures antérieures, cette nouvelle mesure plus précise a confirmé la présence de l’anomalie et soulève des questions sur son origine. La recherche vient d’être publiée dans la revue La nature.

    Selon Ruonan Li, premier auteur du nouvel article et étudiant diplômé à l’Université Temple, les mesures de la polarisabilité électrique du proton révèlent à quel point le proton est susceptible de se déformer ou de s’étirer dans un champ électrique. Comme la taille ou la charge, la polarisabilité électrique est une propriété fondamentale de la structure du proton.

    De plus, une détermination précise de la polarisabilité électrique du proton peut aider à établir un pont entre les différentes descriptions du proton. Selon la manière dont il est sondé, un proton peut apparaître comme une particule unique opaque ou comme une particule composite composée de trois quarks maintenus ensemble par la force forte.

    « Nous voulons comprendre la sous-structure du proton. Et nous pouvons l’imaginer comme un modèle avec les trois quarks équilibrés au milieu », a expliqué Li. « Maintenant, mettez le proton dans le champ électrique. Les quarks ont des charges positives ou négatives. Ils se déplaceront dans des directions opposées. Ainsi, la polarisabilité électrique reflète la facilité avec laquelle le proton sera déformé par le champ électrique. »

    Pour sonder cette distorsion, les physiciens nucléaires ont utilisé un processus appelé diffusion Compton virtuelle. Cela commence par un faisceau soigneusement contrôlé d’électrons énergétiques provenant de l’installation d’accélérateur de faisceaux d’électrons continus du Jefferson Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Les électrons sont envoyés s’écraser sur des protons.

    Dans la diffusion Compton virtuelle, les électrons interagissent avec d’autres particules en émettant un photon énergétique ou une particule de lumière. L’énergie de l’électron détermine l’énergie du photon qu’il émet, qui détermine également la façon dont le photon interagit avec d’autres particules.

    Les photons à faible énergie peuvent rebondir sur la surface du proton, tandis que les photons plus énergétiques exploseront à l’intérieur du proton pour interagir avec l’un de ses quarks. La théorie prédit que lorsque ces interactions photon-quark sont tracées des énergies les plus faibles aux plus élevées, elles formeront une courbe lisse.

    Nikos Sparveris, professeur agrégé de physique à l’Université Temple et porte-parole de l’expérience, a déclaré que cette simple image ne résistait pas à l’examen. Les mesures ont plutôt révélé une bosse encore inexpliquée.

    « Ce que nous voyons, c’est qu’il y a une certaine amélioration locale de l’ampleur de la polarisabilité. La polarisabilité diminue à mesure que l’énergie augmente comme prévu. Et, à un moment donné, elle semble remonter temporairement avant de redescendre », a-t-il déclaré. a dit. « Sur la base de notre compréhension théorique actuelle, il devrait suivre un comportement très simple. Nous voyons quelque chose qui s’écarte de ce comportement simple. Et c’est le fait qui nous intrigue en ce moment. »

    La théorie prédit que les électrons les plus énergétiques sondent plus directement la force forte car elle lie les quarks ensemble pour former le proton. Cet étrange pic de rigidité que les physiciens nucléaires ont maintenant confirmé dans les quarks du proton signale qu’une facette inconnue de la force forte pourrait être à l’œuvre.

    « Il y a quelque chose qui nous manque clairement à ce stade. Le proton est le seul élément de construction composite dans la nature qui soit stable. Donc, s’il nous manque quelque chose de fondamental là-bas, cela a des implications ou des conséquences pour toute la physique », a déclaré Sparveris. confirmé.

    Les physiciens ont déclaré que la prochaine étape consiste à démêler davantage les détails de cette anomalie et à effectuer des sondes de précision pour vérifier d’autres points de déviation et fournir plus d’informations sur la source de l’anomalie.

    « Nous voulons mesurer plus de points à différentes énergies pour présenter une image plus claire et voir s’il y a une autre structure là-bas », a déclaré Li.

    Sparveris a accepté.

    « Nous devons également mesurer précisément la forme de cette amélioration. La forme est importante pour élucider davantage la théorie », a-t-il déclaré.

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