Des physiciens du Brookhaven National Laboratory annoncent avoir pu cartographier très précisément l’arrangement des particules élémentaires situées dans le noyau nucléaire d’un atome. Leur travail est basé sur une nouvelle façon d’utiliser un accélérateur d’ions lourds (RHIC) et un nouveau type d’intrication quantique qui n’a jamais été vu auparavant.
Un noyau atomique est constitué de protons et de neutrons, eux-mêmes constitués de particules élémentaires, les quarks, liés entre eux par des galvanons. Par une série d’oscillations quantiques, les photons interagissent avec les gluons, créant une particule intermédiaire (“rho”) qui se désintègre immédiatement en deux “pions” chargés (ou mésons pi), étiquetés π+ et π-. La vitesse et les angles auxquels les particules π+ et π- frappent le détecteur STAR du RHIC fournissent des informations qui permettent une cartographie très précise de l’arrangement des gluons dans le noyau.
” Cette technique est similaire à la façon dont les médecins utilisent la tomographie par émission de positrons (TEP) pour voir ce qui se passe à l’intérieur du cerveau et d’autres parties du corps. explique James Daniel Brandenburg, membre de la collaboration STAR. La différence est que le but ici est de cartographier les entités à l’échelle du femtomètre (c’est-à-dire 10-15 mètres) ! Non seulement les chercheurs ont acquis un aperçu unique de l’intérieur des atomes, mais ils ont également été témoins d’un tout nouveau type d’enchevêtrement entre les particules π+ et π-.
Une image bidimensionnelle de la distribution des gluons
Le RHIC (Accélérateur d’ions lourds relativiste) est un accélérateur de particules dédié à l’étude des collisions entre ions lourds (cuivre, or, uranium…) à des vitesses relativistes. Il a d’abord été conçu pour étudier la forme primordiale de la matière (celle qui existait au tout début de l’univers), mais il peut aussi produire des collisions entre protons pour étudier leur structure. Plusieurs détecteurs différents, dont le STAR, permettent d’enregistrer les résultats des collisions.
Pour étudier les particules élémentaires, les scientifiques font entrer en collision les noyaux d’atomes lourds, qui se déplacent dans des directions opposées autour du collisionneur à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. L’intensité des collisions est telle qu’elle peut “fondre” les frontières entre les protons et les neutrons individuels, révélant leurs composants fondamentaux : les quarks et les gluons.
Mais les physiciens nucléaires veulent aussi savoir comment les quarks et les gluons se comportent et s’organisent à l’intérieur des noyaux atomiques pour former des protons et des neutrons.
Mais des travaux récents de la collaboration STAR sur les collisions de photons polarisés ont suggéré un moyen d’utiliser ces particules de lumière pour mieux comprendre l’intérieur des noyaux. ” Nous avons montré que ces photons sont polarisés, leur champ électrique rayonnant depuis le centre de l’ion. Et maintenant, nous utilisons cet outil, la lumière polarisée, pour imager efficacement les noyaux à haute énergie. déclare Zhangbu Xu, physicien au laboratoire de Brookhaven et membre de la collaboration STAR.
Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient aucun moyen de connaître la direction de polarisation des photons. Par conséquent, la densité de gluons mesurée était une moyenne, calculée en fonction de la distance au centre du noyau. Mais l’interférence quantique observée entre les particules π+ et π- permet de mesurer très précisément la direction de polarisation. Cela permet aux physiciens d’examiner la distribution des gluons en deux dimensions : le long de la direction du mouvement des photons, mais aussi perpendiculairement à celle-ci.
Le premier enchevêtrement entre des particules dissemblables
Alors que les anciennes mesures donnaient l’impression que le noyau était trop gros par rapport à ce que prédisaient les modèles théoriques et les mesures de la distribution de charge dans le noyau, cette nouvelle simulation 2D a permis d’éclaircir ce mystère. Il s’avère que la quantité de mouvement et l’énergie des photons eux-mêmes se confondent avec celles des gluons. Par conséquent, la mesure unidimensionnelle donnait inévitablement un résultat biaisé par l’effet des photons.
Concrètement, la somme de la quantité de mouvement des deux pions fournit la quantité de mouvement de leur particule rhô parente et d’autres informations, notamment la distribution des gluons et l’effet de blocage des photons. Pour déduire la distribution des gluons, les scientifiques mesurent l’angle entre l’orbitale π+ ou π- et celle de la particule rho. Plus cet angle est proche de 90°, moins l’effet photonique s’applique. En suivant les pions des particules rho se déplaçant à différents angles et énergies, les scientifiques ont pu cartographier la distribution des gluons dans tout le noyau.
” Maintenant, nous pouvons prendre une image où nous pouvons vraiment distinguer la densité de galvanique à un angle et un rayon donnés. Les images sont si nettes que nous pouvons même commencer à voir la différence entre l’endroit où se trouvent les protons et l’endroit où se trouvent les neutrons à l’intérieur de ces gros noyaux. », exulte Brandebourg. Et bien sûr, ces images sont plus conformes aux prédictions théoriques.
Mais cela n’est possible que grâce au fait que les particules π+ et π-, même si elles ont des charges différentes, sont intriquées. ” Il s’agit de la première observation expérimentale d’intrication entre des particules dissemblables. “, souligne le physicien.
Lorsque deux ions entrent en collision sans entrer en collision, les photons qui les entourent interagissent avec les gluons : tout se passe donc comme si ces interactions produisaient deux particules rho (une dans chaque noyau). Au fur et à mesure que chaque particule rho se désintègre en π+ et π-, la fonction d’onde du pion négatif de l’un interfère avec la fonction d’onde du pion négatif de l’autre. Lorsque la fonction d’onde améliorée résultante frappe le détecteur STAR, il voit π-. La même chose se produit avec les deux fonctions d’onde π+.
” L’interférence se produit entre deux fonctions d’onde de particules identiques, mais sans l’intrication entre les deux particules différentes – le π+ et le π- – cette interférence ne se matérialisera pas dit Wangmei Zha, un collaborateur STAR à l’Université des sciences et technologies de Chine. Si les deux particules n’étaient pas intriquées, les deux fonctions d’onde auraient une phase aléatoire et ne produiraient pas d’interférences ; Par conséquent, les chercheurs n’ont pas pu déterminer la direction de polarisation des photons et n’ont donc pas pu effectuer les mesures.
Les prochaines expériences menées au RHIC, ainsi qu’à l’accélérateur d’électrons-ions actuellement en construction, permettront d’étudier plus en détail la distribution des gluons à l’intérieur des noyaux atomiques et d’examiner d’autres scénarios possibles d’interférence quantique.
