Sortir la matière étrange de l’ordinaire —

C’est un résultat qui a mis des décennies à se préparer. L’ensemble de données a été initialement collecté en 2004. Lamiaa El Fassi, maintenant professeure agrégée de physique à l’Université d’État du Mississippi et chercheuse principale du travail, a d’abord analysé ces données au cours de son projet de thèse pour obtenir son diplôme d’études supérieures sur un sujet différent.

Près d’une décennie après avoir terminé ses recherches initiales avec ces données, El Fassi a revisité l’ensemble de données et a mené son groupe à travers une analyse minutieuse pour produire ces mesures sans précédent. L’ensemble de données provient d’expériences dans l’installation d’accélération de faisceaux d’électrons continus (CEBAF) de Jefferson Lab, une installation utilisateur du DOE. Dans l’expérience, les physiciens nucléaires ont suivi ce qui s’est passé lorsque les électrons du CEBAF se sont dispersés hors du noyau cible et ont sondé les quarks confinés à l’intérieur des protons et des neutrons. Les résultats ont été publiés récemment dans Lettres d’examen physique.

“Ces études aident à construire une histoire, analogue à un film, sur la façon dont le quark frappé se transforme en hadrons. Dans un nouvel article, nous rapportons les toutes premières observations d’une telle étude pour le baryon lambda dans les régions de fragmentation avant et arrière, », a déclaré El Fassi.

Dedans comme un lambda, dehors comme un pion

Comme les protons et les neutrons plus familiers, chaque lambda est composé de trois quarks.

Contrairement aux protons et aux neutrons, qui ne contiennent qu’un mélange de en haut et bas quarks, les lambdas en contiennent un en haut quark, un bas quark et un étrange quark. Les physiciens ont surnommé la matière qui contient étrange quarks “matière étrange”.

Dans ce travail, El Fassi et ses collègues ont étudié comment ces particules de matière étrange se forment à partir de collisions de matière ordinaire. Pour ce faire, ils ont projeté le faisceau d’électrons du CEBAF sur différentes cibles, dont le carbone, le fer et le plomb. Lorsqu’un électron de haute énergie du CEBAF atteint l’une de ces cibles, il brise un proton ou un neutron à l’intérieur d’un des noyaux de la cible.

“Parce que le proton ou le neutron est totalement brisé, il ne fait aucun doute que l’électron interagit avec le quark à l’intérieur”, a déclaré El Fassi.

Après que l’électron interagit avec un quark ou des quarks via un photon virtuel échangé, le ou les quarks “frappés” commencent à se déplacer comme une particule libre dans le milieu, se rejoignant généralement avec d’autres quarks qu’il rencontre pour former une nouvelle particule composite lors de leur propagation dans le noyau. Et parfois, cette particule composite sera un lambda.

Mais le lambda a une courte durée de vie – après sa formation, il se désintégrera rapidement en deux autres particules : un pion et un proton ou un neutron. Pour mesurer les différentes propriétés de ces particules lambda créées brièvement, les physiciens doivent détecter ses deux particules filles, ainsi que l’électron du faisceau qui s’est dispersé à partir du noyau cible.

L’expérience qui a recueilli ces données, EG2, a utilisé le détecteur CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) dans le hall expérimental B de Jefferson Lab. Ces résultats récemment publiés, “First Measurement of ? Electroproduction off Nuclei in the Current and Target Fragmentation Regions”, font partie de la collaboration CLAS, qui implique près de 200 physiciens dans le monde.

SIDIS

Ce travail est le premier à mesurer le lambda à l’aide de ce processus, connu sous le nom de diffusion inélastique profonde semi-inclusive, dans les régions de fragmentation avant et arrière. Il est plus difficile d’utiliser cette méthode pour étudier les particules lambda, car la particule se désintègre si rapidement qu’elle ne peut pas être mesurée directement.

“Cette classe de mesures n’a été effectuée que sur des protons auparavant, et sur des particules plus légères et plus stables”, a déclaré le co-auteur William Brooks, professeur de physique à l’Université technique Federico Santa María et co-porte-parole de l’expérience EG2.

L’analyse était si difficile qu’il a fallu plusieurs années à El Fassi et à son groupe pour réanalyser les données et extraire ces résultats. C’est son directeur de thèse, Kawtar Hafidi, qui l’a encouragée à poursuivre l’investigation du lambda à partir de ces jeux de données.

“Je tiens à saluer le travail acharné et la persévérance de Lamiaa qui a consacré des années de sa carrière à travailler sur ce sujet”, a déclaré Hafidi, directrice associée du laboratoire de sciences physiques et d’ingénierie au Laboratoire national d’Argonne et co-porte-parole de l’expérience EG2. “Sans elle, ce travail n’aurait pas abouti.”

“Cela n’a pas été facile”, a déclaré El Fassi. “C’est un processus long et chronophage, mais cela en valait la peine. Quand on passe tant d’années à travailler sur quelque chose, ça fait du bien de le voir publié.”

El Fassi a commencé cette analyse lambda alors qu’elle était elle-même postdoctorale, quelques années avant de devenir professeure adjointe à la Mississippi State University. En cours de route, plusieurs de ses propres post-doctorants à l’État du Mississippi ont aidé à extraire ces résultats, y compris le co-auteur Taya Chetry.

“Je suis très heureux et motivé de voir ce travail publié”, a déclaré Chetry, qui est maintenant chercheur postdoctoral à la Florida International University.

Deux pour un

Une découverte notable de cette analyse intensive change la façon dont les physiciens comprennent comment les lambdas se forment à la suite de collisions de particules.

Dans des études similaires qui ont utilisé la diffusion inélastique profonde semi-inclusive pour étudier d’autres particules, les particules d’intérêt se forment généralement après qu’un seul quark a été “frappé” par le photon virtuel échangé entre le faisceau d’électrons et le noyau cible. Mais le signal laissé par lambda dans le détecteur CLAS suggère une offre plus packagée.

L’analyse des auteurs a montré que lors de la formation d’un lambda, le photon virtuel a été absorbé une partie du temps par une paire de quarks, appelée diquark, au lieu d’un seul. Après avoir été “frappé”, ce diquark a trouvé un quark étrange et a formé un lambda.

“Cet appariement de quarks suggère un mécanisme de production et d’interaction différent du cas de l’interaction d’un seul quark”, a déclaré Hafidi.

Une meilleure compréhension de la façon dont les différentes particules se forment aide les physiciens dans leurs efforts pour déchiffrer l’interaction forte, la force fondamentale qui maintient ensemble ces particules contenant des quarks. La dynamique de cette interaction est très compliquée, tout comme la théorie utilisée pour la décrire : la chromodynamique quantique (QCD).

La comparaison des mesures aux modèles des prédictions de QCD permet aux physiciens de tester cette théorie. Étant donné que la découverte de diquark diffère des prédictions actuelles du modèle, cela suggère que quelque chose ne va pas dans le modèle.

“Il y a un ingrédient inconnu que nous ne comprenons pas. C’est extrêmement surprenant, puisque la théorie existante peut décrire essentiellement toutes les autres observations, mais pas celle-ci”, a déclaré Brooks. “Cela signifie qu’il y a quelque chose de nouveau à apprendre, et pour le moment, nous n’avons aucune idée de ce que cela pourrait être.”

Pour le savoir, ils auront besoin d’encore plus de mesures.

Les données pour EG2 ont été recueillies avec des faisceaux d’électrons de 5,014 GeV (milliards d’électrons-volts) à l’ère des 6 GeV du CEBAF. Les futures expériences utiliseront les faisceaux d’électrons du CEBAF mis à jour, qui s’étendent désormais jusqu’à 11 GeV pour le hall expérimental B, ainsi qu’un détecteur CLAS mis à jour connu sous le nom de CLAS12, pour continuer à étudier la formation d’une variété de particules, y compris les lambdas, avec des -les électrons d’énergie.

Le prochain collisionneur électron-ion (EIC) au laboratoire national de Brookhaven du DOE offrira également une nouvelle opportunité de continuer à étudier cette étrange structure d’appariement de la matière et des quarks du nucléon avec une plus grande précision.

“Ces résultats jettent les bases d’études à venir lors du prochain CLAS12 et des expériences EIC prévues, où l’on peut étudier plus en détail la diffusion de diquark”, a déclaré Chetry.

El Fassi est également co-porte-parole des mesures CLAS12 de la propagation des quarks et de la formation des hadrons. Lorsque les données des nouvelles expériences seront enfin prêtes, les physiciens les compareront aux prédictions QCD pour affiner davantage cette théorie.

“Toute nouvelle mesure qui fournira de nouvelles informations pour comprendre la dynamique des interactions fortes est très importante”, a-t-elle déclaré.