Incroyable ! L’intérieur de l’atome révélé pour la première fois dans une image avec quarks et gluons !
Des chercheurs ont annoncé qu'ils ont pu observer l'intérieur de l'atome lors d'une expérience au LHC.
Comprendre les structures internes de l'atome est l'un des défis auxquels sont confrontés les physiciens depuis la fin du 19e siècle. Cependant, la question de la composition de la matière remonte à l'Antiquité, lorsque les philosophes ont commencé à y réfléchir. Au cours des derniers siècles, cette question a traversé plusieurs esprits brillants, d'Isaac Newton à Albert Einstein et des contemporains tels que Bohr, Oppenheimer et Schrödinger.
Au cours de ce siècle, des expériences d'une valeur de plusieurs milliards de dollars ont été menées pour approfondir notre compréhension des atomes. L'une de ces installations est l'accélérateur de particules du CERN, le LHC, qui est actuellement le plus grand accélérateur de particules au monde. Le LHC est devenu célèbre en 2013 lorsque ses chercheurs ont annoncé la découverte du boson de Higgs.
Récemment, un article a été publié dans Physical Review Letters dans lequel des chercheurs d'une collaboration visant à étudier la structure de l'atome ont publié une image de quarks et de gluons. L'image provient d'expériences menées dans différents accélérateurs, dont les données obtenues à l'aide du LHC. L'expérience était basée sur des électrons accélérés à de hautes énergies pour obtenir une sorte de carte de l'atome.
Structure de l'atome
Nous avons appris très tôt qu'un atome est constitué de particules appelées protons, électrons et neutrons. Les électrons sont des particules négatives qui se trouvent dans un nuage autour du centre de l'atome, qui est constitué de protons et de neutrons. Les protons ont des charges positives tandis que les neutrons n'ont pas de charges. Si les électrons sont des particules fondamentales, les protons et les neutrons ne le sont pas.
Dans l'atome, diverses interactions sont présentes, telles que l'interaction électromagnétique, responsable des orbites des électrons, et l'interaction forte, responsable de la cohésion des protons dans le noyau.
Chaque proton et chaque électron est constitué de particules encore plus petites appelées quarks. Le type de quark varie : le proton est constitué de trois quarks, dont deux sont up et un est down. Le neutron est constitué de deux quarks down et d'un quark up. Une autre particule, appelée gluon, fait partie de cette interaction et sert de médiateur à l'interaction forte qui maintient les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau.
Quarks et gluons
Les quarks qui composent le noyau interne des protons et des neutrons sont appelés fermions et se déclinent en six types distincts. Chaque type de quark, désigné par le terme « saveur », peut être up, down, charm, strange, top ou bottom. La charge et la masse des particules, telles que les protons et les neutrons, dépendent de l'arrangement des quarks et du type de quark présent en leur sein.
La connexion entre les quarks pour former la structure d'un proton ou d'un neutron se fait par l'intermédiaire d'une particule médiatrice appelée gluon. Lorsque deux quarks sont éloignés l'un de l'autre, l'interaction augmente, créant une tension semblable à celle d'un élastique tendu. En outre, les quarks ont également un type de charge connu sous le nom de charge de couleur, la somme des charges de couleur d'une particule étant égale à zéro.
Expérience
L'un des moyens de comprendre et de cartographier la structure de l'atome consiste à faire entrer en collision des électrons de différentes énergies. Les expériences les plus célèbres consistent à utiliser des électrons accélérés à différentes vitesses et projetés vers des atomes. À des énergies plus faibles, les électrons interagissent avec des particules chargées telles que des protons et d'autres électrons.
Lorsqu'ils sont accélérés à des énergies plus élevées, comme dans les accélérateurs de particules tels que le LHC, il est possible d'observer des interactions avec les quarks et les gluons. L'un des résultats de ces expériences est que les gluons et les quarks se comportent ensemble et non de manière isolée. C'est comme s'il existait une région composée de quarks et de gluons et l'étude de ces régions est importante pour comprendre leurs propriétés.
Première image
À l'aide des données obtenues au LHC, un groupe de chercheurs a analysé les résultats des électrons énergétiques lancés sur les atomes. Ils ont ainsi pu obtenir une fonction qui décrit la structure à l'intérieur de l'atome. En physique des particules, la compréhension de la distribution par collisions d'atomes est le meilleur moyen de se représenter le fonctionnement de la structure.
Au total, ils ont étudié 18 noyaux atomiques et les distributions des structures de quarks et de gluons corrélés et non corrélés. Les résultats ont confirmé l'observation connue dans les expériences à basse énergie selon laquelle la plupart des paires corrélées sont des paires proton-neutron. Cette approche offre une meilleure description des données expérimentales que les méthodes traditionnelles.
Référence de l'article :
Denniston et al. 2024 Modification of Quark-Gluon Distributions in Nuclei by Correlated Nucleon Pairs Physical Review Letters