Des physiciens du Brookhaven National Laboratory annoncent avoir réussi à cartographier avec une grande précision l’arrangement des particules élémentaires situées au cœur des noyaux atomiques. Leur travail est basé sur une nouvelle façon d’utiliser le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) et un nouveau type d’intrication quantique jamais vu auparavant.
Un noyau atomique est constitué de protons et de neutrons, eux-mêmes composés de particules élémentaires, les quarks, liés entre eux par des gluons. Par une série de fluctuations quantiques, les photons interagissent avec les gluons, créant une particule intermédiaire (un “rho”) qui se désintègre immédiatement en deux “pions” chargés (ou mésons pi), notés π+ et π-. La vitesse et les angles auxquels ces 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 cœur.
” 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 obtenu un aperçu unique de l’intérieur des atomes, mais ils ont également été témoins d’un nouveau type d’enchevêtrement entre les particules π+ et π-.
Une image 2D de la distribution des gluons
RHIC (Le collisionneur 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 été conçu à l’origine pour étudier la forme primordiale de la matière (ce qui existait au début de l’Univers), mais il peut aussi produire des collisions entre protons pour explorer leur structure. Plusieurs détecteurs différents, dont STAR, permettent d’enregistrer les résultats des collisions.
Pour étudier les particules élémentaires, les scientifiques font entrer en collision les noyaux d’atomes lourds, se déplaçant dans des directions opposées autour du collisionneur à la vitesse de la lumière. L’intensité des collisions est telle qu’elle peut “fondre” les frontières entre les protons et les neutrons individuels, exposant leurs composants élémentaires : 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 démontré que ces photons sont polarisés, leur champ électrique rayonnant vers l’extérieur à partir du 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 Brookhaven Lab 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 du photon, mais aussi perpendiculairement à celle-ci.
Le premier enchevêtrement entre différentes particules
Alors que d’anciennes mesures donnaient l’impression que le cœur était très gros par rapport à ce qui était prédit par les modèles théoriques et les mesures de la répartition des charges dans le cœur, cette nouvelle image 2D a permis d’éclaircir ce mystère. Il s’avère que la quantité de mouvement et l’énergie des photons eux-mêmes se combinent avec celles des gluons. Ainsi, la mesure unidimensionnelle donnait nécessairement un résultat biaisé par l’effet des photons.
Plus précisément, la somme des impulsions des deux pions fournit l’impulsion de leur particule parente rho et d’autres informations, notamment la diffusion des gluons et l’effet de blocage des photons. Pour déduire la distribution des gluons, les scientifiques mesurent l’angle entre la trajectoire du 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 obtenir une image où nous pouvons vraiment distinguer la densité de gluons 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 énormes noyaux. », se réjouit 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-, bien qu’ayant des charges différentes, sont intriquées. ” Il s’agit de la première observation expérimentale d’un enchevêtrement entre différentes particules. “, 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 alors comme si ces interactions généraient deux particules rhô (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 élargie résultante frappe le détecteur STAR, il voit un 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’interférence entre deux particules différentes – π+ et π- – cette interférence ne se matérialiserait pas. déclare Wangmei Zha, STAR Fellow 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’au collisionneur électron-ion actuellement en construction, seront l’occasion d’explorer plus en détail la distribution des gluons à l’intérieur des noyaux atomiques et de tester d’autres scénarios possibles d’interférence quantique.
