La pression dans un proton dépasse celle au cœur d'une étoile à neutrons

Dès 1815, le chimiste britannique William Prout avait remarqué que dans le cadre de l'hypothèse atomique pour les éléments chimiques, les atomes semblaient tous avoir une masse égale à un nombre entier de fois la masse de l'atome d'hydrogène, de sorte qu'il fut amené à conjecturer que tous les éléments étaient faits de combinaisons de cet atome. Cette idée visionnaire sera confirmée au cours des années 1910 par les travaux d'Ernest RutherfordErnest Rutherford avec notamment la découverte du noyau, ce qui conduisit le physicienphysicien néo-zélando-britannique à baptiser celui de l'atome d'hydrogène du nom de proton, d'après le neutre singulier du mot grec pour « premier », πρῶτον.

Pendant des décennies, le proton fut considéré comme une particule élémentaireparticule élémentaire mais au cours des années 1950, il était déjà clair qu'il était une distribution de charge étendue, grâce aux travaux du prix Nobel de physiquephysique Robert Hofstadter et de ses collègues. Au début des années 1960, la découverte de la théorie des quarks impliquait aussi qu'il était constitué de particules chargées plus petites, ce qui fut confirmé au début des années 1970. Là aussi, avec des expériences consistant à utiliser des faisceaux d'électronsélectrons à hautes énergiesénergies pour, en quelque sorte, éclairer l'intérieur des protons comme s'ils étaient sous un microscopemicroscope. C'est aussi au début des années 1970 que la chromodynamique quantiquechromodynamique quantique (QCD ou quantum chromodynamics, en anglais) fut découverte, la théorie des interactions nucléaires fortes entre les protons, les neutronsneutrons et autres hadronshadrons reposant sur l'échange de sortes de cousins des photonsphotons, des bosonsbosons appelés gluonsgluons, entre les quarksquarks constituant ces hadrons.

Depuis lors, on cherche à préciser la structure du proton mais c'est une tâche qui s'est révélée tout sauf simple. Car, si à courte distance les quarks se comportent simplement en échangeant des gluons, il en est tout autrement à plus grande distance de sorte qu'en fait la force entre les quarks ne diminue pas mais augmente. Chercher à séparer les quarks fait donc naître tellement d'énergie sous forme de gluons, qui sont en quelque sorte rayonnés, que de nouveaux quarks se forment et se lient rapidement pour donner de nouveaux hadrons.

Les protons, des boules de fluides quantiques complexes

Un proton est donc, en fait, une concentration complexe et fluctuante de quarks, d'antiquarks et de gluons qui apparaissent et disparaissent sans cesse. Ces phénomènes étant gouvernés par des équationséquations non linaires quantiques très complexes à résoudre, comme le sont souvent les équations de Navier-Stokes qui sont, elles aussi, non linéaires et qui décrivent les fluides formés d'un grand nombre d'atomes.

Tout comme pour les fluides, on est donc contraint de faire des expériences ou d'utiliser des superordinateurssuperordinateurs pour explorer la structure du proton. Cela illustre, une fois de plus, la prescience d'Enrico Fermi qui avait entrepris d'utiliser les ordinateursordinateurs pour faire des progrès en physique non linéaire. On arrive de cette façon à calculer la masse des protons et même des neutrons et de quelques autres hadrons en utilisant ce que l'on appelle de la QCD sur réseau, une théorie que l'on doit au prix Nobel de physique Kenneth Wilson.

L'année dernière, le résultat d'expériences menées au Jefferson Lab (États-Unis) avec l'accélérateur d'électrons Cebaf (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) et qui sont donc les descendantes, si l'on peut dire, de celles de Robert Hofstadter, ont permis pour la première fois de dresser une carte de la pressionpression dans un proton. Un proton qui se comporte donc comme une sorte de goutte de liquideliquide ou encore de gazgaz dense composée de quarks et de gluons (incidemment, ce sont ces gluons et pas le boson de Brout-Englert-Higgs qui donnent une masse au proton). Les chercheurs étaient alors arrivés à la conclusion qu'au centre du proton il existait une pression 10 fois supérieure à celle régnant au cœur d'une étoile à neutronsétoile à neutrons, comme Futura l'expliquait dans le précédent article (ci-dessous).

Toutefois, d'autres physiciens n'ont pas été totalement convaincus, faisant remarquer que l'interprétation des données expérimentales reposait sur des hypothèses que l'on pouvait questionner et, finalement, ne prenait bien en compte que la pression générée par le gaz de quarks dans le proton. Mais, là aussi, des calculs de QCD sur réseau pouvaient maintenant être menés tenant plus exactement compte des gluons et c'est ce qu'ont fait des chercheurs du MIT. Ils l'expliquent dans un article publié dans Physical Review Letters, en accès libre sur arXiv.

Ils retrouvent bien l'essentiel des résultats précédents mais la région où la pression est 10 fois celle au centre d'une étoile à neutrons est, cette fois-ci, étalée au cœur du proton et ne correspond pas seulement à son centre. À l'inverse, la pression est plus faible qu'on ne le pensait précédemment dans la couche externe du proton.

Ces nouveaux résultats, qui combinent en quelque sorte la pression de deux gaz, celui des quarks et celui des gluons, ont nécessité 18 mois de calculs et nous donnent maintenant de nouvelles prédictions concernant la structure du proton. Pour tester ces prédictions, il faudra de nouveaux faisceaux d'électrons comme ceux du projet d'un collisionneur ionsions-électrons (electron-ion collider ou EIC, en anglais).

Au cœur du proton, une pression extrême

Article de Nathalie MayerNathalie Mayer publié le 21/05/2018

La pression qui règne au cœur d'une étoile à neutron est inimaginable. Mais elle n'est (presque) rien à côté de celle que des chercheurs viennent de mesurer à l'intérieur d'un proton. Selon eux, elle avoisinerait par endroits les 10³⁵ pascals.

Pour la première fois, des chercheurs du Jefferson Lab (États-Unis) ont mesuré la distribution de pression à l'intérieur d’un proton. Au centre de la particule que l'on trouve dans chaque atome de notre UniversUnivers, une pression extrêmement élevée dirigée vers l'extérieur. Plus en périphérie, une pression dirigée vers l'intérieur, beaucoup plus modeste, mais aussi plus étendue. Un peu comme on l'observe, à moindre échelle, dans une étoile.

Pour arriver à ces conclusions, les chercheurs ont mené une expérience de diffusion Comptondiffusion Compton profondément virtuelle. Comprenez qu'ils ont bombardé de l'hydrogène liquide, source de protons, de faisceaux d'électrons haute énergie. Car en pareille situation, les électrons interagissent avec les quarks qui constituent le proton. Ils échangent un photon virtuel. De l'énergie est ainsi transmise au proton qui la réémet ensuite sous la forme d'un photon.

Les mesures réalisées par les chercheurs du Jefferson Lab portent sur les quarks – ici en rouge, bleu et vert – qui constituent le proton. L’énergie des électrons mis à contribution étant insuffisante pour sonder le proton dans la globalité, les chercheurs ont supposé, en accord avec les théories, que la contribution des gluons – responsable de la transmission de l’interaction forte, en jaune ici – à la pression totale devait être identique à celle des quarks. © Jacek rybak, Wikipedia, CC by-SA 4.0

Une technique applicable à d’autres mesures

Par ailleurs, les fonctions dites de distributions de parton généralisées permettent d'accéder à la structure tridimensionnelle du proton. Et de récents travaux théoriques ont permis de faire le lien entre ces distributions et les facteurs de forme gravitationnelle. De quoi fournir à nos chercheurs toutes les bases nécessaires à établir cette incroyable cartographie.

Dans un avenir proche, ils envisagent de pouvoir réaliser des mesures encore plus précises. Puis appliquer la même méthode à l'étude des forces à l'œuvre au cœur du proton ou encore à la détermination de la distribution spatiale ou au mouvementmouvement des quarks.