La détermination expérimentale des facteurs de forme gravitationnels gluoniques du proton pourrait avoir révélé une partie de la masse cachée du proton

L’un des plus grands mystères du proton est l’origine de sa masse. Il s’avère que la masse mesurée du proton ne provient pas seulement de ses éléments constitutifs physiques, ses trois quarks dits de valence.

“Si vous additionnez les masses du modèle standard des quarks dans un proton, vous n’obtenez qu’une petite fraction de la masse du proton”, a expliqué le co-porte-parole de l’expérience Sylvester Joosten, physicien expérimental au Laboratoire national d’Argonne du DOE.

Au cours des dernières décennies, les physiciens nucléaires ont tenté de comprendre que la masse du proton provenait de plusieurs sources. Premièrement, il obtient une certaine masse des masses de ses quarks, et un peu plus de leurs mouvements. Ensuite, il obtient de la masse à partir de l’énergie de force forte qui colle ces quarks ensemble, cette force se manifestant sous forme de « gluons ». Enfin, il tire sa masse des interactions dynamiques des quarks et des gluons du proton.

Cette nouvelle mesure a peut-être enfin éclairci la masse générée par les gluons du proton en localisant la matière générée par ces gluons. Le rayon de ce noyau de matière s’est avéré résider au centre du proton. Le résultat semble également indiquer que ce noyau a une taille différente du rayon de charge bien mesuré du proton, une quantité qui est souvent utilisée comme approximation de la taille du proton.

“Le rayon de cette structure de masse est plus petit que le rayon de charge, et cela nous donne donc en quelque sorte une idée de la hiérarchie de la masse par rapport à la structure de charge du nucléon”, a déclaré le co-porte-parole de l’expérience Mark Jones, Jefferson Lab’s Halls A&C. chef.

Selon le co-porte-parole de l’expérience Zein-Eddine Meziani, chercheur au Laboratoire national d’Argonne du DOE, ce résultat a en fait été quelque peu surprenant.

“Ce que nous avons trouvé est quelque chose auquel nous ne nous attendions vraiment pas à sortir de cette façon. L’objectif initial de cette expérience était la recherche d’un pentaquark qui a été rapporté par des chercheurs du CERN”, a déclaré Meziani.

L’expérience a été réalisée dans le hall expérimental C de l’installation d’accélérateur de faisceaux d’électrons continus du Jefferson Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Dans l’expérience, des électrons énergétiques de 10,6 GeV (milliards d’électrons-volts) provenant de l’accélérateur CEBAF ont été envoyés dans un petit bloc de cuivre. Les électrons ont été ralentis ou déviés par le bloc, ce qui les a amenés à émettre un rayonnement de freinage sous forme de photons. Ce faisceau de photons a ensuite frappé les protons à l’intérieur d’une cible d’hydrogène liquide. Des détecteurs ont mesuré les restes de ces interactions sous forme d’électrons et de positrons.

Les expérimentateurs se sont intéressés aux interactions qui produisaient des particules J/ parmi les noyaux de protons de l’hydrogène. Le J/ est un méson à vie courte constitué de quarks charme/anti-charme. Une fois formé, il se désintègre rapidement en une paire électron/positon.

Sur les milliards d’interactions, les expérimentateurs ont trouvé environ 2 000 particules J/ dans leurs mesures de section efficace de ces interactions en confirmant les paires électron/positon coïncidentes.

“C’est similaire à ce que nous avons fait depuis le début. En faisant une diffusion élastique de l’électron sur le proton, nous avons obtenu la distribution de charge du proton”, a déclaré Jones. “Dans ce cas, nous avons fait une photo-production exclusive du J/ à partir du proton, et nous obtenons la distribution des gluons au lieu de la distribution des charges.”

Les collaborateurs ont ensuite pu insérer ces mesures de section efficace dans des modèles théoriques décrivant les facteurs de forme gravitationnels gluoniques du proton. Les facteurs de forme gluonique détaillent les caractéristiques mécaniques du proton, telles que sa masse et sa pression.

“Il y avait deux quantités, appelées facteurs de forme gravitationnels, que nous avons pu extraire, car nous avions accès à ces deux modèles : le modèle de distributions partoniques généralisées et le modèle de chromodynamique quantique holographique (QCD). Et nous avons comparé les résultats de chacun de ces modèles avec des calculs QCD sur réseau », a ajouté Meziani.

À partir de deux combinaisons différentes de ces quantités, les expérimentateurs ont déterminé le rayon de masse gluonique susmentionné dominé par des gluons de type graviton, ainsi qu’un plus grand rayon de gluons scalaires attractifs qui s’étendent au-delà des quarks en mouvement et les confinent.

“L’une des découvertes les plus surprenantes de notre expérience est que, dans l’une des approches du modèle théorique, nos données suggèrent une distribution scalaire des gluons qui s’étend bien au-delà du rayon électromagnétique du proton”, a déclaré Joosten. “Pour bien comprendre ces nouvelles observations et leurs implications sur notre compréhension du confinement, nous aurons besoin d’une nouvelle génération d’expériences J/ de haute précision.”

Une possibilité d’exploration plus approfondie de ce nouveau résultat alléchant est le programme d’expérience Solenoidal Large Intensity Device, appelé SoLID. Le programme SoLID est encore au stade de proposition. Si elles sont approuvées pour aller de l’avant, les expériences menées avec l’appareil SoLID fourniraient de nouvelles informations sur la physique J/.

“La prochaine grande étape consiste à mesurer la production de J/ avec le détecteur SoLID. Il sera vraiment capable de faire des mesures de haute précision dans cette région. L’un des principaux piliers de ce programme est la production de J/, ainsi que les mesures de distribution d’impulsion transversale. et des mesures de diffusion inélastique profonde violant la parité », a déclaré Jones.

Jones, Joosten et Meziani représentent une collaboration expérimentale qui comprend plus de 50 physiciens nucléaires de 10 institutions. Les porte-parole souhaitent également souligner Burcu Duran, l’auteur principal et associé de recherche postdoctoral à l’Université du Tennessee, Knoxville. Duran a présenté cette expérience dans son doctorat. thèse en tant qu’étudiante diplômée à l’Université Temple, et elle a joué un rôle moteur dans l’analyse des données.

La collaboration a mené l’expérience sur environ 30 jours en février-mars 2019. Ils conviennent que ce nouveau résultat est intrigant, et ils disent qu’ils attendent tous avec impatience les résultats futurs qui apporteront un éclairage supplémentaire sur les aperçus de la nouvelle physique qu’il implique. .

“L’essentiel pour moi – il y a une excitation en ce moment. Pourrions-nous trouver un moyen de confirmer ce que nous voyons ? Est-ce que cette nouvelle image va rester ?” dit Méziani. “Mais pour moi, c’est vraiment très excitant. Parce que si je pense maintenant à un proton, nous avons maintenant plus d’informations à ce sujet que nous n’en avons jamais eu auparavant.”