Les scientifiques ont découvert une nouvelle façon de « voir » à l’intérieur des noyaux atomiques les plus simples afin de mieux comprendre la « colle » qui maintient ensemble les éléments constitutifs de base de la matière. Les résultats viennent d’être publiés dans Lettres d’examen physiqueprovient de la collision de photons (particules de lumière) avec des deutérons, qui sont les noyaux atomiques les plus simples (constitués d’un seul proton lié à un neutron).

Les collisions se sont produites au collisionneur d’ions lourds relatifs (RHIC) du département américain de l’énergie (DOE), l’Office of Science for Research in Nuclear Physics du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie. Des scientifiques du monde entier analysent les données des collisions subatomiques du RHIC pour mieux comprendre les particules et les forces qui construisent la matière visible de notre monde.

Dans ces collisions particulières, les photons se sont comportés un peu comme un faisceau de rayons X pour fournir le premier aperçu de la façon dont les particules appelées gluons sont disposées à l’intérieur du deutéron.

« Le gluon est très mystérieux », a déclaré Zhoudunming Tu, physicien du laboratoire de Brookhaven, qui a dirigé ce projet, à la collaboration STAR du RHIC. Les gluons, en tant que « porteurs » de la force forte*, sont la colle qui maintient ensemble les quarks, les éléments constitutifs internes des protons et des neutrons. Ils combinent également des protons et des neutrons pour former des noyaux atomiques. « Nous voulons étudier la distribution des gluons car c’est l’une des clés qui maintient les quarks ensemble. Cette mesure de la distribution des gluons dans un deutéron n’a jamais été faite auparavant. »

De plus, comme les collisions photon-deutéron entraînent parfois la désintégration des deutérons, les collisions peuvent aider les scientifiques à comprendre ce processus.

« La mesure de la dissociation du deutéron nous en dit long sur les mécanismes sous-jacents qui maintiennent ces particules ensemble dans les noyaux en général », a déclaré Tu.

Comprendre les gluons et leur rôle dans la matière nucléaire sera l’un des principaux axes de recherche du collisionneur électron-ion (EIC), une future installation de recherche en physique nucléaire en phase de planification au laboratoire de Brookhaven. À l’EIC, les physiciens utiliseront les photons générés par les électrons pour sonder la distribution des gluons dans les protons et les noyaux, ainsi que la force qui maintient les noyaux ensemble. Mais Tu, qui a élaboré des plans de recherche sur l’EIC, s’est rendu compte qu’il pourrait obtenir des indices en examinant les données existantes des expériences 2016 du RHIC sur les deutérons.

« La motivation derrière l’étude du deutéron est qu’il est simple, mais il a toujours tout ce qu’un noyau complexe a », a expliqué Tu. « Nous voulons étudier l’état le plus simple du noyau pour comprendre cette dynamique, y compris comment il change lorsque vous passez d’un simple proton à des noyaux plus complexes que nous étudierons à l’EIC. »

Il a donc commencé à passer au crible les données que STAR avait recueillies sur des centaines de millions de collisions en 2016.

« Les données étaient là. Personne n’a regardé la distribution du deutéron gluon jusqu’à ce que je commence quand j’étais un collègue de Goldhaber en 2018. Je venais de rejoindre Brookhaven, et j’ai trouvé cette connexion à l’EIC. »

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RHIC peut accélérer une large gamme d’ions –noyaux atomiques Ils sont dépouillés de leurs électrons. Il peut même envoyer des faisceaux de deux types différents de particules se déplaçant dans des directions opposées à travers les boucles jumelles de l’hippodrome de 2,4 milles de long à presque la vitesse de la lumière. Mais il ne peut pas accélérer directement les photons.

Mais grâce à la physique, qui a été abordée ici récemment, les particules en mouvement rapide avec beaucoup de charge positive émettent leur propre lumière. Ainsi, en 2016, lorsque le centre de deutéron du RHIC a percuté des ions d’or hautement chargés, ces ions d’or rapides étaient entourés de nuages ​​de photons. En identifiant les « collisions supraocéaniques » – où le deutéron n’est vu que par un nuage de photons provenant d’un ion d’or – Tu s’est rendu compte qu’il pouvait étudier Photons Interagissez avec les deutérons pour avoir un aperçu de l’intérieur.

Un signe clair de ces interactions est la production d’une particule appelée J/psi, qui est alimentée par un photon qui interagit avec les gluons à l’intérieur du deutéron.

« J’ai trouvé 350 J/psi », a déclaré Tu. « Il n’y a que 350 événements sur les centaines de millions de collisions enregistrées par l’expérience STAR. C’est en fait un événement très rare. »

Bien que J/psi se désintègre rapidement, le détecteur STAR peut suivre les produits de désintégration pour mesurer la quantité d’impulsion transférée à partir de la réaction. La mesure de la distribution du transfert d’impulsion à travers toutes les collisions permet aux scientifiques de déduire la distribution des gluons.

« Il existe une relation biunivoque entre le transfert d’impulsion (le « coup de pied » donné à J/psi) et l’endroit où se trouve le gluon dans le deutéron », a expliqué Tu. « En moyenne, les gluons à l’intérieur du noyau du deutéron donnent une très grande poussée d’impulsion. Les gluons à la périphérie donnent la plus petite poussée. Par conséquent, l’examen de la distribution globale de l’impulsion peut être utilisé pour cartographier la distribution des gluons dans le deutéron. »

« Les résultats de notre étude ont comblé une lacune dans notre compréhension de la dynamique des gluons entre le proton libre et le noyau lourd », a déclaré Shuai Yang, un collaborateur STAR de la South China Normal University. Yang était un physicien qui a été le pionnier de l’utilisation de la lumière émise par des ions en mouvement rapide pour étudier les propriétés de la matière nucléaire dans les collisions de noyaux superocéaniques au RHIC et au Large Hadron Collider (LHC) en Europe. « Ce travail jette un pont entre la physique des particules et Physique nucléaire, » il a dit.

Un autre contributeur majeur, William Schmidk de Brookhaven Lab, a déclaré: « En fait, nous étudions ce processus depuis de nombreuses années. Mais c’est le premier résultat qui nous indique la dynamique des gluons des deux nucléons individuels (le terme collectif désignant les protons et les neutrons). et des noyaux dans le même système. »

Étude de désintégration du deutéron

En plus de générer une particule J/psi, chaque interaction photon-gluon donne également une impulsion qui dévie le deutéron – ou brise ce noyau simple en un proton et un neutron. L’étude du processus de dissociation donne un aperçu de la force générée par le gluon qui maintient les noyaux ensemble.

En cas de dissociation, le proton chargé positivement est dévié dans le champ magnétique de l’accélérateur RHIC. Mais le neutron neutre continue d’avancer. Pour capturer ces « neutrons spectateurs », STAR dispose d’un détecteur situé à 18 mètres de son centre le long de la ligne de faisceau à une extrémité.

« Ce processus est très simple », a noté Tu. « Un seul J/psi est produit au centre de l’ÉTOILE. Les seules autres particules qui peuvent être formées proviennent de cette désintégration du deutéron. Ainsi, chaque fois que vous obtenez un neutron, vous savez que cela provient de la désintégration du deutéron. Le détecteur STAR peut mesurer ce processus avec plus de précision. Une carte incontestablement élevée. »

Mesurer la relation entre le processus de dissociation et la particule J/psi produite par l’interaction gluon peut aider les scientifiques à comprendre le rôle des gluons dans l’interaction entre les protons et les neutrons. Ces connaissances peuvent différer de ce que les scientifiques comprennent de ces interactions à basse énergie.

« A haute énergie, le photon ne voit presque que des gluons à l’intérieur du deutéron », a déclaré Tu. « après gluons « kick » la particule J/psi, la manière dont ce « kick » conduit à la dissociation est très probablement liée à la dynamique des gluons entre le proton et le neutron. L’avantage de cette mesure est que nous pouvons déterminer expérimentalement le canal dominé par les gluons et la dissociation nucléaire en même temps. »

En outre, Tu note que la mesure des neutrons issus de la dissociation nucléaire – communément appelée « signes de spectateur » – est une technique large et utile qui sera certainement utilisée dans les EIC à l’avenir.

Mais à l’EIC, « les appareils seront bien meilleurs et auront plus de couverture », a-t-il expliqué. « Nous pourrons améliorer la précision gluon Mesures de la distribution spatiale des noyaux légers aux noyaux lourds. Et les systèmes de détection EIC capteront à peu près tout ce qui concerne la désintégration des nucléons, afin que nous puissions étudier plus en détail comment les nucléons interagissent les uns avec les autres. « 

D’autres contributeurs majeurs qui ont collaboré pour effectuer les analyses de données complexes de cette étude comprenaient des physiciens de Brookhaven Lab, Jaroslav Adam, Zilong Chang et Thomas Ullrich.

*le une force puissante Ce sont les quatre forces fondamentales les plus puissantes de la nature (forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle). Et contrairement à toutes les autres forces, la force d’interaction devient plus grande avec l’augmentation de la distance. La force de liaison entre deux quarks à une distance supérieure à 10^-15ème mètres (c’est-à-dire au-delà d’un millionième de milliardième de mètre) plus de 10 tonnes.