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Des scientifiques dévoilent la structure interne d’un neutron avec une précision effarante

Une étude qui a demandé plus de dix ans d’efforts

neutron
— vchal / Shutterstock.com

Une avancée scientifique importante dans l’étude des particules subatomiques vient d’être réalisée, offrant une première vision détaillée du comportement chaotique des neutrons à l’échelle quantique. Après plus de dix ans d’expérimentations, une collaboration internationale a permis de faire progresser notre compréhension des neutrons, des particules essentielles à la matière, grâce à des données provenant du détecteur central de l’accélérateur Thomas Jefferson. Cette étude, publiée dans Physical Review Letters, jette les bases de la résolution d’un mystère fondamental concernant la structure de la matière.

La complexité des nucléons

Les données récoltées par le détecteur central des neutrons de l’accélérateur national Thomas Jefferson (TJNAF) du département de l’Énergie des États-Unis sont déjà cruciales pour décrire la dynamique du neutron à un niveau quantique. Silvia Niccolai, directrice de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS), souligne l’importance de ces résultats pour l’étude des nucléons. 

Les neutrons et les protons, qui composent les noyaux des atomes, sont formés de particules encore plus petites, les quarks. Ces quarks interagissent entre eux par l’échange de gluons, des particules qui assurent la cohésion de la matière à ce niveau. Un proton est constitué de deux quarks « up » et un quark « down », tandis qu’un neutron présente une configuration inverse, avec deux quarks « down » et un quark « up ».

Bien que cette organisation semble simple à première vue, la réalité est bien plus complexe. Les quarks ne sont pas immobiles, mais forment un tourbillon dynamique, influencé par des particules et des antiparticules qui apparaissent et disparaissent constamment, dans un environnement régi par les lois de la mécanique quantique. Cette agitation interne rend leur étude particulièrement difficile.

Neutron
— © Harp / Pelican Two / Wikimedia Commons (CC-BY-SA 4.0)

Les défis de l’étude des neutrons et les solutions expérimentales

Pour comprendre les mouvements et l’organisation de ces particules, les physiciens ont traditionnellement effectué des collisions entre particules nucléaires et électrons, observant les résultats des impacts pour tirer des conclusions sur les particules internes. Grâce à des expériences menées sur des accélérateurs de particules de haute énergie, comme le CEBAF et le TJNAF, les scientifiques ont commencé à percer les mystères des « partons » (quarks et gluons), éléments constitutifs des nucléons, et à résoudre des énigmes telles que l’écart entre la masse et la taille des nucléons. 

L’étude des neutrons a longtemps représenté un défi pour les physiciens, notamment en raison de leur comportement difficile à observer sous certaines configurations. En 2011, une équipe internationale a lancé un projet de construction d’un détecteur spécifiquement conçu pour mieux capturer ces interactions complexes. Ce détecteur a été installé en 2017 et a permis de réaliser des expériences cruciales en 2019 et 2020. 

L’un des obstacles majeurs rencontrés était la contamination des résultats par des protons, qui interféraient avec les neutrons. Toutefois, grâce à des techniques avancées de traitement des données, notamment l’utilisation de filtres d’apprentissage automatique, les chercheurs ont pu nettoyer les données et obtenir des résultats fiables, permettant des comparaisons avec des modèles théoriques existants.

Central Neutron Detector
© Silvia Niccolai

Avancées dans la compréhension du spin des nucléons

Les premières analyses ont permis de mieux comprendre l’une des distributions les plus complexes des partons dans les neutrons, la « distribution généralisée de partons » (GPD) E. Cette distribution est essentielle pour comprendre comment les quarks et les gluons sont répartis dans ces particules. En comparant ces résultats avec ceux obtenus sur les protons, les chercheurs ont pu distinguer une caractéristique importante de cette distribution, apportant ainsi de nouvelles informations sur la structure du spin des nucléons.

Le spin, qui correspond à une propriété fondamentale des particules, reste un sujet central de la recherche en physique quantique. Les précédentes études sur les spins des quarks ont révélé qu’ils expliquaient moins de 30 % du spin total du nucléon, ce qui a donné naissance à ce que l’on appelle la « crise du spin ». L’origine de la fraction restante pourrait être liée à l’interaction avec les gluons ou à un phénomène encore mal compris, et de futures recherches pourraient peut-être élucider ce mystère.

Par ailleurs, un événement ultra-rare vient de se produire à l’accélérateur de particules du CERN.

Par Eric Rafidiarimanana, le

Source: Science Alert

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