La quête pour comprendre la force forte à l’intérieur du proton, élément fondamental de la physique subatomique, a franchi une nouvelle étape cruciale. Des physiciens, s’appuyant sur des décennies de théories et d’expériences, ont dévoilé des aspects intrigants de cette force à travers une analyse novatrice des facteurs de forme gravitationnels du proton. Leurs découvertes, publiées dans la revue Reviews of Modern Physics, promettent de révolutionner notre perception de la structure et du fonctionnement du proton.
La répartition de la force forte
La physique des facteurs de forme gravitationnels du proton a fait l’objet d’un intérêt croissant au cours des dernières décennies, tant sur le plan théorique qu’expérimental. Volker Burkert, scientifique principal du Jefferson Lab, souligne que cette mesure offre un aperçu plus approfondi de l’environnement où évoluent les composants du proton, constitué de trois quarks liés par la force forte.
Cette force, à son maximum, nécessiterait une pression de plus de quatre tonnes pour extraire un quark du proton, mais la nature empêche cette séparation en raison d’une propriété des quarks appelée « couleur ». Les quarks se combinent en trois couleurs pour rendre le proton incolore à l’extérieur, une condition nécessaire à son existence dans l’espace.
Le processus d’extraction d’un quark coloré du proton conduit à la formation d’une paire quark/antiquark incolore, appelée méson, qui utilise l’énergie investie pour tenter de séparer le quark, laissant le proton (ou le neutron) incolore derrière lui. Ces résultats mettent en évidence l’intensité de la force intrinsèque au proton et représentent la deuxième mesure des propriétés mécaniques de cette particule.
Les propriétés mécaniques du proton
Les propriétés mécaniques du proton, telles que sa pression interne, sa distribution de masse, son moment angulaire et sa contrainte de cisaillement, ont été longtemps énigmatiques. Cependant, grâce à des expériences innovantes menées au Jefferson Lab, ces propriétés commencent à être dévoilées. Les données utilisées dans cette étude proviennent d’expériences menées avec l’accélérateur à faisceau d’électrons continu (CEBAF) du Jefferson Lab.
Elles ont été obtenues en faisant interagir un faisceau d’électrons hautement énergétiques avec un proton dans une cible d’hydrogène gazeux liquéfié, appliquant ainsi une force bien supérieure aux quatre tonnes nécessaires pour arracher une paire quark/antiquark.
Cette étude s’est focalisée sur la diffusion Compton virtuelle. Pour ce faire, un électron et un proton doivent échanger des photons virtuels. Dans l’état final, outre l’électron dispersé, un photon réel très intense a également été produit, et le proton est resté le même mais a reculé.
Liens avec l’interaction gravitationnelle
Lors de la collecte des données, les chercheurs ne savaient pas qu’ils recueillaient également les informations nécessaires pour accéder aux caractéristiques mécaniques du proton, en plus de l’imagerie 3D qu’ils espéraient obtenir grâce à lui. Il s’avère que la façon dont la gravité interagit avec la matière peut être liée à la diffusion Compton profondément virtuelle.
Le manuel Gravitation, publié en 1973 par Charles W. Misner, Kip S. Thorne et John Archibald Wheeler sur la théorie de la relativité générale d’Einstein, contient la forme générale de cette relation. Le théoricien Maxim Polyakov a avancé ce concept trente ans plus tard, en fournissant les fondements théoriques qui relient l’interaction gravitationnelle au mécanisme hautement virtuel de la diffusion Compton.
Ces avancées théoriques ont permis d’extraire des mesures importantes telles que la pression, la force normale et la force de cisaillement du proton, ouvrant ainsi la porte à une compréhension plus profonde de la nature fondamentale de cette particule. Par ailleurs, ces batteries à protons offrent une alternative plus écologique aux batteries lithium-ion.
