À l'intérieur du proton, la "chose la plus compliquée que vous puissiez imaginer"

Plus d'un siècle après qu'Ernest Rutherford ait découvert la particule chargée positivement au cœur de chaque atome, les physiciens ont encore du mal à comprendre pleinement le proton.

Les professeurs de physique du secondaire les décrivent comme des boules sans relief avec chacune une unité de charge électrique positive - les feuilles parfaites pour les électrons chargés négativement qui bourdonnent autour d'elles. Les étudiants apprennent que la balle est en fait un faisceau de trois particules élémentaires appelées quarks. Mais des décennies de recherche ont révélé une vérité plus profonde, une vérité trop bizarre pour être entièrement capturée avec des mots ou des images.

"C'est la chose la plus compliquée que vous puissiez imaginer", a déclaré Mike Williams, physicien au Massachusetts Institute of Technology. "En fait, vous ne pouvez même pas imaginer à quel point c'est compliqué."

Le proton est un objet mécanique quantique qui existe sous la forme d'un brouillard de probabilités jusqu'à ce qu'une expérience l'oblige à prendre une forme concrète. Et ses formes diffèrent radicalement selon la façon dont les chercheurs mettent en place leur expérience. Relier les multiples faces de la particule est l'œuvre de plusieurs générations. "Nous commençons tout juste à comprendre ce système de manière complète", a déclaré Richard Milner, physicien nucléaire au MIT.

Au fur et à mesure que la poursuite se poursuit, les secrets du proton ne cessent de tomber. Plus récemment, un analyse monumentale des données publié en août a révélé que le proton contient des traces de particules appelées quarks charmés qui sont plus lourdes que le proton lui-même.

Le proton "a été une leçon d'humilité pour les humains", a déclaré Williams. "Chaque fois que vous pensez que vous en avez le contrôle, cela vous lance des boules courbes."

Récemment, Milner, avec Rolf Ent au Jefferson Lab, les cinéastes du MIT Chris Boebel et Joe McMaster, et l'animateur James LaPlante, ont entrepris de transformer un ensemble d'intrigues obscures qui compilent les résultats de centaines d'expériences en une série d'animations de la forme -proton décalé. Nous avons incorporé leurs animations dans notre propre tentative de dévoiler ses secrets.

Craquer le proton

La preuve que le proton contient des multitudes est venue du Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) en 1967. Dans des expériences antérieures, les chercheurs l'avaient bombardé d'électrons et les avaient regardés ricocher comme des boules de billard. Mais le SLAC pouvait projeter des électrons avec plus de force, et les chercheurs ont constaté qu'ils rebondissaient différemment. Les électrons frappaient le proton assez fort pour le briser – un processus appelé diffusion inélastique profonde – et rebondissaient à partir d'éclats ponctuels du proton appelés quarks. "C'était la première preuve que les quarks existent réellement", a déclaré Xiao Chao Zheng, physicien à l'Université de Virginie.

Après la découverte du SLAC, qui a remporté le prix Nobel de physique en 1990, l'examen du proton s'est intensifié. Les physiciens ont réalisé des centaines d'expériences de diffusion à ce jour. Ils déduisent divers aspects de l'intérieur de l'objet en ajustant la force avec laquelle ils le bombardent et en choisissant les particules dispersées qu'ils collectent par la suite.

En utilisant des électrons de plus haute énergie, les physiciens peuvent découvrir des caractéristiques plus fines du proton cible. De cette manière, l'énergie des électrons définit le pouvoir de résolution maximal d'une expérience de diffusion inélastique profonde. Des collisionneurs de particules plus puissants offrent une vue plus nette du proton.

Les collisionneurs à haute énergie produisent également un plus large éventail de résultats de collision, permettant aux chercheurs de choisir différents sous-ensembles d'électrons sortants à analyser. Cette flexibilité s'est avérée essentielle pour comprendre les quarks, qui se déplacent à l'intérieur du proton avec différentes quantités d'impulsion.

En mesurant l'énergie et la trajectoire de chaque électron diffusé, les chercheurs peuvent dire s'il a éjecté un quark transportant une grande partie de la quantité de mouvement totale du proton ou juste un tout petit peu. Grâce à des collisions répétées, ils peuvent faire quelque chose comme un recensement - déterminer si l'impulsion du proton est principalement liée à quelques quarks ou répartie sur plusieurs.

Même les collisions de séparation de protons du SLAC étaient douces selon les normes d'aujourd'hui. Lors de ces événements de diffusion, les électrons ont souvent jailli d'une manière suggérant qu'ils s'étaient écrasés sur des quarks transportant un tiers de la quantité de mouvement totale du proton. La découverte correspondait à une théorie de Murray Gell-Mann et George Zweig, qui en 1964 ont postulé qu'un proton se compose de trois quarks.

Le « modèle des quarks » de Gell-Mann et Zweig reste une façon élégante d'imaginer le proton. Il a deux quarks "up" avec des charges électriques de +2/3 chacun et un quark "down" avec une charge de -1/3, pour une charge totale du proton de +1.

Mais le modèle des quarks est une simplification excessive qui présente de sérieuses lacunes.

Il échoue, par exemple, en ce qui concerne le spin d'un proton, une propriété quantique analogue au moment cinétique. Le proton a une demi-unité de spin, tout comme chacun de ses quarks up et down. Les physiciens ont d'abord supposé que, dans un calcul faisant écho à l'arithmétique simple des charges, les demi-unités des deux quarks up moins celle du quark down devaient être égales à une demi-unité pour le proton dans son ensemble. Mais en 1988, l'European Muon Collaboration rapporté que les spins des quarks totalisent bien moins de la moitié. De même, les masses de deux quarks up et d'un quark down ne représentent qu'environ 1 % de la masse totale du proton. Ces déficits ont fait comprendre un point que les physiciens commençaient déjà à apprécier : le proton est bien plus que trois quarks.

Bien plus que trois quarks

L'accélérateur d'anneaux hadrons-électrons (HERA), qui a fonctionné à Hambourg, en Allemagne, de 1992 à 2007, a projeté des électrons contre des protons avec environ mille fois plus de force que le SLAC. Dans les expériences HERA, les physiciens pouvaient sélectionner des électrons qui avaient rebondi sur des quarks à impulsion extrêmement faible, y compris ceux qui ne transportaient que 0.005 % de l'impulsion totale du proton. Et ils les ont détectés : les électrons d'HERA ont rebondi sur un maelström de quarks à faible impulsion et leurs homologues d'antimatière, les antiquarks.

Les résultats ont confirmé une théorie sophistiquée et farfelue qui avait alors remplacé le modèle des quarks de Gell-Mann et Zweig. Développée dans les années 1970, c'était une théorie quantique de la « force forte » qui agit entre les quarks. La théorie décrit les quarks comme étant liés par des particules porteuses de force appelées gluons. Chaque quark et chaque gluon possède l'un des trois types de charge de « couleur », étiquetés rouge, vert et bleu ; ces particules chargées de couleur se tirent naturellement les unes sur les autres et forment un groupe - tel qu'un proton - dont les couleurs s'additionnent pour donner un blanc neutre. La théorie colorée est devenue connue sous le nom de chromodynamique quantique, ou QCD.

Selon QCD, les gluons peuvent capter des pics d'énergie momentanés. Avec cette énergie, un gluon se divise en un quark et un antiquark - chacun portant un tout petit peu de quantité de mouvement - avant que la paire ne s'annihile et ne disparaisse. Des pics d'énergie plus petits produisent des paires de quarks avec une impulsion plus faible, qui vivent moins longtemps. C'est cette « mer » de gluons, de quarks et d'antiquarks qu'HERA, avec sa plus grande sensibilité aux particules de plus faible impulsion, a détecté de première main.

HERA a également relevé des indices sur ce à quoi ressemblerait le proton dans des collisionneurs plus puissants. Au fur et à mesure que les physiciens ajustaient HERA pour rechercher les quarks à plus faible impulsion, ces quarks – qui proviennent des gluons – sont apparus en nombre de plus en plus grand. Les résultats suggèrent que dans des collisions encore plus énergétiques, le proton apparaîtrait comme un nuage composé presque entièrement de gluons.

Le pissenlit gluon est exactement ce que prédit QCD. "Les données HERA sont une preuve expérimentale directe que la QCD décrit la nature", a déclaré Milner.

Mais la victoire de la jeune théorie s'est accompagnée d'une pilule amère : alors que la QCD décrivait magnifiquement la danse des quarks et des gluons à courte durée de vie révélée par les collisions extrêmes d'HERA, la théorie est inutile pour comprendre les trois quarks de longue durée observés dans le doux bombardement du SLAC.

Les prédictions de QCD ne sont faciles à comprendre que lorsque la force forte est relativement faible. Et la force forte ne s'affaiblit que lorsque les quarks sont extrêmement proches les uns des autres, comme ils le sont dans des paires quark-antiquark à courte durée de vie. Frank Wilczek, David Gross et David Politzer ont identifié cette caractéristique déterminante de la QCD en 1973, remportant le prix Nobel 31 ans plus tard.

Mais pour des collisions plus douces comme celles du SLAC, où le proton agit comme trois quarks qui se tiennent mutuellement à distance, ces quarks s'attirent suffisamment fort pour que les calculs QCD deviennent impossibles. Ainsi, la tâche de démystifier davantage la vision à trois quarks du proton incombe en grande partie aux expérimentateurs. (Les chercheurs qui mènent des "expériences numériques", dans lesquelles les prédictions QCD sont simulées sur des superordinateurs, ont également fait principales contributions.) Et c'est dans cette image à basse résolution que les physiciens continuent de trouver des surprises.

Une nouvelle vue charmante

Récemment, une équipe dirigée par Juan Rojo de l'Institut national de physique subatomique aux Pays-Bas et de l'Université VU d'Amsterdam ont analysé plus de 5,000 50 instantanés de protons pris au cours des XNUMX dernières années, en utilisant l'apprentissage automatique pour déduire les mouvements des quarks et des gluons à l'intérieur du proton d'une manière qui évite les conjectures théoriques.

 Le nouvel examen a relevé un arrière-plan flou dans les images qui avaient échappé aux anciens chercheurs. Dans des collisions relativement douces qui brisaient à peine le proton, la majeure partie de la quantité de mouvement était enfermée dans les trois quarks habituels : deux ups et un down. Mais une petite quantité de quantité de mouvement semblait provenir d'un quark "charme" et d'un antiquark charme - des particules élémentaires colossales qui l'emportent chacune sur le proton entier de plus d'un tiers.

Des charmes de courte durée apparaissent fréquemment dans la vue « mer de quarks » du proton (les gluons peuvent se diviser en six types de quarks différents s'ils ont suffisamment d'énergie). Mais les résultats de Rojo et ses collègues suggèrent que les charmes ont une présence plus permanente, ce qui les rend détectables lors de collisions plus douces. Dans ces collisions, le proton apparaît comme un mélange quantique, ou superposition, d'états multiples : Un électron rencontre généralement les trois quarks légers. Mais il rencontrera occasionnellement une « molécule » plus rare de cinq quarks, comme un quark up, down et charm regroupés d'un côté et un quark up et un antiquark charm de l'autre.

Des détails aussi subtils sur la composition du proton pourraient s'avérer importants. Au Large Hadron Collider, les physiciens recherchent de nouvelles particules élémentaires en cognant ensemble des protons à grande vitesse et en voyant ce qui en sort ; Pour comprendre les résultats, les chercheurs doivent d'abord savoir ce qu'il y a dans un proton. L'apparition occasionnelle de quarks charmés géants déjouer les pronostics de fabriquer des particules plus exotiques.

Et lorsque des protons appelés rayons cosmiques jaillissent ici de l'espace extra-atmosphérique et percutent des protons dans l'atmosphère terrestre, des quarks de charme apparaissant au bon moment inonderaient la Terre de neutrinos extra-énergétiques, les chercheurs ont calculé en 2021. Ceux-ci pourraient confondre les observateurs recherche pour les neutrinos de haute énergie provenant de l'autre côté du cosmos.

La collaboration de Rojo prévoit de poursuivre l'exploration du proton en recherchant un déséquilibre entre les quarks charmés et les antiquarks. Et des constituants plus lourds, comme le quark top, pourraient faire des apparitions encore plus rares et plus difficiles à détecter.

Les expériences de la prochaine génération chercheront encore plus de fonctionnalités inconnues. Les physiciens du Brookhaven National Laboratory espèrent lancer le collisionneur électron-ion dans les années 2030 et reprendre là où HERA s'est arrêté, en prenant des instantanés à plus haute résolution qui permettront les premières reconstructions 3D du proton. L'EIC utilisera également des électrons en rotation pour créer des cartes détaillées des spins des quarks et des gluons internes, tout comme SLAC et HERA ont cartographié leurs impulsions. Cela devrait aider les chercheurs à enfin déterminer l'origine du spin du proton et à répondre à d'autres questions fondamentales sur la particule déconcertante qui constitue la majeure partie de notre monde quotidien.