En 1983, on a découvert que la structure interne d’un nucléon – un proton ou un neutron – dépend de son environnement1. C’est-à-dire que la structure d’un nucléon dans l’espace vide est différente de sa structure lorsqu’il est intégré à l’intérieur d’un noyau atomique. Cependant, malgré de vigoureux travaux théoriques et expérimentaux, la cause de cette modification est restée inconnue. Dans un article paru dans Nature, la collaboration CLAS2 présente des preuves qui éclairent cette question de longue date.
L’avènement de la physique nucléaire remonte à l’époque d’Ernest Rutherford, dont les expériences menées au début des années 1900 sur la diffusion des particules α (noyaux d’hélium) par la matière ont révélé un noyau compact et dense au centre des atomes3. Depuis lors, les physiciens s’efforcent de comprendre la structure du noyau atomique et la dynamique des éléments qui le composent. De même, depuis la révélation, à la fin des années 1960, que les nucléons eux-mêmes ont des constituants internes appelés quarks4,5, des travaux approfondis se sont concentrés sur l’étude de cette structure sous-jacente plus profonde.
Pendant des décennies, on pensait généralement que les nucléons des noyaux étaient structurellement indépendants les uns des autres et qu’ils étaient e ssentiellement influencés par le champ nucléaire moyen produit par leurs interactions mutuelles. Cependant, une question persistante était de savoir si les nucléons étaient modifiés à l’intérieur d’un noyau, c’est-à-dire si leur structure était différente de celle d’un nucléon libre. En 1983, une découverte étonnante faite par la Collaboration européenne sur les muons (EMC) au laboratoire de physique des particules du CERN, près de Genève (Suisse), a apporté la preuve d’une telle modification des nucléons1. Cette modification, connue sous le nom d’effet EMC, s’est manifestée sous la forme d’une variation de la distribution du moment cinétique des quarks à l’intérieur des nucléons intégrés dans les noyaux. Ce résultat a été vérifié par des expériences ultérieures au SLAC National Accelerator Laboratory à Menlo Park, en Californie6,7, et au Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) à Newport News, en Virginie8.
Bien que l’existence de l’effet EMC soit maintenant fermement établie, sa cause est restée insaisissable. La pensée actuelle offre deux explications possibles. La première est que tous les nucléons d’un noyau sont modifiés dans une certaine mesure à cause du champ nucléaire moyen. La seconde est que la plupart des nucléons ne sont pas modifiés, mais que des nucléons spécifiques sont substantiellement modifiés en interagissant dans ce qu’on appelle des paires corrélées à courte portée (SRC) pendant de brèves périodes (Fig. 1). L’article actuel fournit des preuves définitives en faveur de la seconde explication.
Figure 1 | Protons et neutrons modifiés dans les noyaux. a, Les nucléons – neutrons et protons – sont composés de particules élémentaires appelées quarks. Les neutrons contiennent un quark « up » et deux quarks « down », tandis que les protons contiennent deux quarks up et un quark down. b, Dans les noyaux atomiques, les nucléons peuvent interagir brièvement dans ce que l’on appelle des paires corrélées à courte portée (SRC). La collaboration CLAS2 rapporte des preuves que ces interactions modifient la structure interne des nucléons à l’intérieur du noyau.
L’effet CEM est mesuré dans des expériences dans lesquelles des électrons sont diffusés à partir d’un système de particules, comme un noyau ou un nucléon. Les énergies des électrons sont choisies de manière à ce que les ondes de mécanique quantique associées aux électrons aient une longueur d’onde correspondant aux dimensions du système considéré. Pour étudier l’intérieur d’un noyau, des énergies de 1-2 GeV (milliards d’électronvolts) sont nécessaires. Pour sonder la structure d’un système plus petit, comme un nucléon, des énergies plus élevées (longueurs d’onde plus petites) sont nécessaires, dans un processus appelé diffusion inélastique profonde (DIS). Ce processus a joué un rôle central dans la découverte de la sous-structure quark des nucléons4,5, qui a donné lieu à l’attribution du prix Nobel de physique en 19909.
Dans les expériences DIS, le taux auquel la diffusion se produit est décrit par une quantité appelée section transversale de diffusion. L’ampleur de l’effet CEM est déterminée en traçant le rapport entre la section transversale par nucléon pour un noyau donné et celle de l’isotope d’hydrogène, le deutérium, en fonction du momentum du quark qui est frappé par l’électron. S’il n’y avait aucune modification des nucléons, ce rapport aurait une valeur constante de 1. Le fait que ce rapport diminue en fonction du momentum pour un noyau donné indique que les nucléons individuels du noyau sont modifiés d’une manière ou d’une autre. De plus, le fait que cette diminution se produise plus rapidement si la masse du noyau augmente suggère que l’effet EMC est renforcé pour les noyaux plus lourds.
La collaboration CLAS a utilisé les données de diffusion d’électrons prises au Jefferson Lab pour établir une relation entre la taille de l’effet EMC et le nombre de paires SRC neutron-proton dans un noyau donné. Une caractéristique clé de ce travail est l’extraction d’une fonction mathématique qui inclut l’effet des paires SRC sur la section transversale de diffusion et qui s’avère indépendante du noyau. Cette universalité fournit une forte confirmation de la corrélation entre l’effet EMC et les paires SRC neutron-proton. Les résultats indiquent que la modification des nucléons est un effet dynamique qui découle des variations locales de densité, par opposition à une propriété statique et globale du milieu dans lequel tous les nucléons sont modifiés par le champ nucléaire moyen.
Les auteurs se sont concentrés sur les paires SRC neutron-proton pour une raison particulière : il s’avère que ces paires sont plus communes que leurs homologues neutron-neutron ou proton-proton. En ce sens, les nucléons sont isophobes, c’est-à-dire que les nucléons similaires sont moins susceptibles de s’apparier que les nucléons dissemblables. Par conséquent, en raison de l’asymétrie du nombre de neutrons et de protons dans les noyaux de masse moyenne et lourde, la probabilité que les protons forment des paires SRC neutron-proton augmente à peu près comme le rapport entre les neutrons et les protons, alors que la probabilité que les neutrons le fassent tend à plafonner10. La collaboration CLAS a utilisé cette caractéristique spécifique pour consolider ses conclusions en démontrant une différence claire entre les effets EMC par proton et par neutron pour les noyaux asymétriques plus lourds que le carbone. Le fait que cette distinction émerge directement des données apporte un soutien supplémentaire à l’interprétation des auteurs selon laquelle la modification du nucléon provient de la formation de paires SRC.
Une implication de la présente étude est que les informations déduites sur les neutrons libres à partir des expériences DIS sur le deutérium ou les noyaux plus lourds doivent être corrigées de l’effet EMC pour tenir compte de la modification des neutrons dans le milieu nucléaire. Une autre conséquence concerne les expériences actuelles et futures dans lesquelles les neutrinos ou leurs antiparticules (antineutrinos) sont diffusés à partir de noyaux asymétriques. Étant donné que les protons et les neutrons ont des compositions de quark différentes, et que les protons sont plus fortement affectés par la modification du milieu que les neutrons, les sections croisées de diffusion des neutrinos et des antineutrinos peuvent présenter des variations qui pourraient être attribuées à tort à un effet d’une physique exotique – comme les déficiences du modèle standard de la physique des particules, ou les mécanismes possibles pour comprendre l’asymétrie entre la matière et l’antimatière dans l’Univers. Avant de pouvoir faire une telle affirmation, il faudrait prendre en compte les différences de l’effet CEM pour les protons et les neutrons.