Si vous demandez combien pèse un objet comme un vélo, il y a une réponse simple. Mais si vous demandez où est la masse du vélo, les choses se compliquent un peu. Un vélo comporte de nombreuses pièces, dont certaines bougent, qui sont toutes de tailles, de formes et de densités différentes, de sorte que sa masse est répartie de manière irrégulière autour de sa forme.

Dans une certaine mesure, cela est analogue à la question de savoir où est la masse d’un proton. Un proton est un ensemble de quarks et de gluons se déplaçant à des vitesses relativistes autour d’un point central. Il serait difficile de dire où serait sa durée de vie de groupe même sans le fait que l’analogie avec les bicyclettes s’effondre complètement en raison d’un fait embarrassant : un proton pèse beaucoup plus que ses quarks constitutifs, et les gluons qui maintiennent les quarks ensemble sont sans masse. En fait, la masse des particules impliquées est quelque peu hors de propos. « Si vous faites des calculs où vous réglez la masse du quark à zéro, un proton est à peu près la même chose », a déclaré le physicien Sylvester Johannes Josten à Ars.

Au lieu de cela, une grande partie de la masse d’un proton provient de la densité d’énergie incroyablement élevée générée par les fortes interactions de force des gluons. Donc, pour comprendre la masse d’un proton, nous devons comprendre ce que les gluons doivent faire. Ce qui, étant sans masse et sans charge, est extrêmement difficile à faire. Mais certains travaux expérimentaux ont créé une valeur pour le rayon de masse du proton, qui décrit la distribution de masse à l’intérieur de la particule. Et il s’avère que la valeur est significativement différente du rayon de la charge du proton.

Inhalation de gluons

Les gluons sans masse ni charge sont très difficiles à détecter ; Nous déduisons principalement où ils doivent se trouver à partir des débris qu’ils contribuent à créer lors des collisions de particules. Dans une certaine mesure, nous pouvons modéliser leur comportement, mais cela est principalement décrit par la chromodynamique quantique, qui est légendaire pour sa capacité à mettre à genoux des ressources informatiques massives. Ainsi, même nos meilleurs modèles de comportement des gluons sont des approximations.

Si la masse d’un proton dépend principalement de ses gluons, alors, et nous ne pouvons pas savoir ce que font les gluons, comment pouvons-nous savoir ce qui se passe ?

L’astuce consistait à identifier un processus qui serait détectable, mais sensible à la présence de gluons. Ce processus est la conversion de l’énergie (sous forme de lumière) en matière. Plus précisément, un photon d’énergie suffisante peut être converti en un soi-disant J/méson, composé d’un quark charme et d’un antiquark charme par un processus délicat de formation de gluons en protons proches. En mesurant la production de J/mésons, il est possible de déterminer ce que l’on appelle les facteurs de forme gravitationnels du gluon, qui décrivent où se situe la masse dans un proton.

Comment faire cela est, eh bien, presque aussi complexe que la description du processus dans le paragraphe ci-dessus. Cela commence par un faisceau d’électrons à haute énergie, produit au Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Ces électrons sont ensuite déplacés d’avant en arrière dans leur direction de déplacement dans un processus au nom très technique : remuer. Cela leur fait perdre de l’énergie, qu’ils libèrent sous forme de photons de haute énergie.

Ces photons sont ensuite envoyés à travers une chambre contenant un récipient d’hydrogène liquide. En traversant le bassin, certains photons seront convertis en mésons J/ qui se désintégreront instantanément. Deux des produits de cette désintégration sont l’électron et le positron, qui peuvent être captés par des détecteurs, permettant d’enregistrer la production de mésons J/. Sur la base de ces découvertes, il est possible de retravailler et de découvrir les facteurs de forme de la gravité des gluons.

(Notez que je n’essaie même pas de trouver une analogie pour les facteurs de forme gravitationnels du gluon qui vous aiderait à les comprendre. Ils sont décrits dans l’article comme « éléments matriciels du tenseur énergie-impulsion d’un proton et codent les propriétés mécaniques du proton, tandis que l’effet d’anomalie du tenseur énergie-impulsion est un composant majeur de l’origine de la masse selon la chromodynamique quantique. » Vous devez juste faire confiance à toutes les personnes impliquées, c’est une terminologie qui aide à décrire la relation entre les gluons et la masse. )

Ici et là

Avec les données disponibles, tout ce dont les chercheurs avaient besoin était un modèle du comportement des gluons pour relier leurs découvertes à ce qui se passe à l’intérieur du proton. Malheureusement, les physiciens ont produit plusieurs modèles différents, encore une fois parce que le calcul direct de tout ce qui implique la chromodynamique quantique est presque impossible sur le matériel actuel. Ainsi, les modèles disponibles sont pour la plupart des moyens alternatifs de faire des approximations qui permettent aux ordinateurs de produire quelque chose d’utile.

Pour la plupart, une variété d’estimations a produit des réponses assez similaires, bien que les choses se soient un peu aggravées avec des photons à faible énergie, qui ont à peine assez d’énergie pour se convertir en quelque chose avec une masse J/m. Cependant, différentes approches fournissent un accord approximatif sur l’emplacement de la masse du proton, et donc sur le rayon de masse du proton.

Ce qui est étonnant dans le résultat, c’est qu’il diffère du rayon de la charge d’un proton. Bien qu’il existe certaines différences entre les différentes méthodes de mesure du rayon d’une charge (cependant), les différences sont relativement mineures. Et toutes les mesures distinguent le rayon de charge du rayon de masse. Puisque la charge est un produit des quarks, cela indique que ces particules orbitent régulièrement en dehors de la région fréquentée par les gluons qui sont occupés à maintenir ensemble le proton entier.

Mais Justine a dit qu’il y avait des indices que la situation était plus compliquée. Les réactions qui ont formé les mésons J ont nécessité l’échange de gluons dont les spins étaient alignés. Il est également possible d’échanger des gluons qui ont des spins opposés, appelée interaction scalaire. Et il y a quelques indices que le rayon standard est également différent.

« Vous devriez vous attendre à voir des rayons standard », a déclaré Justin. « Nous voyons quelque chose d’énorme. C’est beaucoup plus gros – comme ce grand halo qui tourne autour du proton. »

Une mise en garde ici est que Joosten a déclaré que les résultats sont très préliminaires : « Ce n’est pas quelque chose que nous avons trouvé, c’est quelque chose que nous aimerions étudier dans de futurs essais. » L’autre est que son utilisation du terme «énorme» est relative; Tout cela se passe à l’intérieur d’une particule subatomique.

Mais si les résultats se confirment, ils indiquent qu’un proton a au moins trois rayons distincts – charge, masse et jauge – et qu’ils sont tous de longueurs différentes.

Et c’est là que l’analogie du vélo pourrait recommencer à prendre sens. Après tout, vous ne vous attendez pas à ce que le centre de gravité d’un vélo soit au même endroit que ses pédales ou que la direction se produise. Bien qu’il s’agisse d’un organisme unique, sa nature composite signifie que ces différents aspects de son comportement ne sont pas nécessairement locaux en commun. Il semble en être de même pour le proton.

Nature, 2023. DOI : 10.1038 / s41586-023-05730-4 (à propos des DOI).