Des mesures de la collaboration STAR suggèrent qu'une propriété quantique essentielle des protons pourrait résider dans les gluons liant leurs quarks, plutôt que dans les quarks. Le résultat, publié le 13 août dans Science et présenté par Science News, montre que les particules issues de collisions nucléaires à haute énergie favorisent une structure neutre de gluons en forme de Y, appelée jonction baryonique, comme porteuse du nombre baryonique. Chercheurs et physiciens indépendants soulignent que cet indice important n'est pas encore définitif.
Le nombre baryonique distingue les protons et les neutrons, de valeur 1, des antibaryons, de valeur moins 1. Sa conservation dans toutes les réactions observées aide à expliquer pourquoi les protons ne se désintègrent pas et pourquoi les atomes perdurent. L'explication traditionnelle attribue un tiers de ce nombre à chacun des trois quarks de valence du proton. L'hypothèse concurrente, élaborée il y a plusieurs décennies, attribue le nombre entier à la jonction formée par les gluons, vecteurs de l'interaction forte qui maintient les quarks ensemble.
STAR a testé les deux descriptions au collisionneur d'ions lourds relativistes du laboratoire national de Brookhaven, dans l'État de New York. La collaboration a analysé environ 2 milliards de collisions de ruthénium 96 et 2 milliards de collisions de zirconium 96, enregistrées en 2018 à 200 milliards d'électronvolts par paire de nucléons. Les deux noyaux ont un nombre de masse de 96, mais le ruthénium compte 44 protons et le zirconium 40. Cette différence a permis de comparer le transport du nombre baryonique à celui de la charge électrique près du centre des faisceaux, dans des conditions de détection presque identiques.
Dans les 10 pour cent de collisions les plus centrales, le rapport mesuré entre transport baryonique et transport de charge, corrigé de la différence nucléaire, atteignait 1,84, avec des incertitudes statistique, systématique et liées à l'estimation des neutrons de 0,02, 0,09 et 0,16. Une image simple fondée sur les quarks de valence prévoit une valeur proche de 1, tandis que le modèle de transport UrQMD sans jonctions baryoniques donnait de 0,5 à 0,7. Selon l'étude STAR, les jonctions de gluons à faible impulsion devraient s'arrêter près du centre plus facilement que les quarks de valence, qui conservent davantage de l'impulsion initiale du proton.
La collaboration a aussi utilisé des interactions photon-or à une énergie de 54,4 milliards d'électronvolts et d'anciennes données or-or comme vérifications indépendantes. La distribution nette des protons dans les événements photon-or présentait une pente exponentielle de rapidité de 1,04 plus ou moins 0,22, contre une moyenne de 0,64 plus ou moins 0,05 pour les mesures or-or à plusieurs énergies. Les deux résultats concordent avec l'intervalle de 0,42 à 1 prévu par le modèle de jonction, même si les auteurs précisent que les mesures actuelles ne résolvent pas toutes les dépendances aux conditions de collision et que d'autres théories doivent encore être étudiées.
Les physiciens cités par Science News ont livré des évaluations prudentes. Spencer Klein, du laboratoire Lawrence Berkeley, estime que ces travaux montrent pour la première fois qu'une expérience peut distinguer les deux descriptions. Chun Shen, de l'université Wayne State, juge que les données favorisent fortement la jonction sans constituer une démonstration décisive; Zi-Wei Lin, de l'université East Carolina, considère les deux images comme potentiellement compatibles. STAR indique que le futur collisionneur électron-ion de Brookhaven pourrait cartographier directement la distribution du nombre baryonique dans les noyaux, prolongeant l'héritage de RHIC après ses dernières collisions en février.
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