Une avancée majeure dans la compréhension des interactions fortes entre protons

La force qui maintient les protons ensemble

En physique des particules, les interactions fortes jouent un rôle central dans notre compréhension de l’univers à son échelle la plus fondamentale. Ces forces nucléaires sont responsables de la cohésion des protons et des neutrons au sein du noyau atomique. Elles sont l’objet d’études intensives visant à percer leurs mystères et à enrichir nos connaissances sur la physique des particules. Récemment, une équipe de chercheurs de l’Institut de Physique Nucléaire de l’Académie Polonaise des Sciences a réalisé une percée majeure dans ce domaine en mesurant les propriétés des interactions fortes entre protons à des énergies ultra-élevées, grâce à l’expérience ATLAS au LHC (Large Hadron Collider).

L’importance des collisions de protons à haute énergie

Les protons, ces particules subatomiques présentes au cœur de chaque atome, se comportent de manière étonnante lorsqu’ils sont soumis à des vitesses proches de celle de la lumière. Leur comportement de collision ressemble à celui des boules de billard sur une table de jeu. Cependant, en tant que particules quantiques, ils obéissent aux lois étranges et souvent contre-intuitives de la mécanique quantique.

L’étude des collisions de protons à haute énergie peut nous fournir des informations précieuses sur l’une des quatre forces fondamentales de l’univers : l’interaction forte. Cette force est responsable de la cohésion des protons et des neutrons dans le noyau atomique, malgré la répulsion électromagnétique qui devrait les séparer en théorie.

Pour comprendre les mécanismes au sein d’un noyau atomique, les chercheurs se sont tournés vers le LHC, le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde. L’expérience ATLAS, l’une des nombreuses expériences menées au LHC, a réussi à mesurer les propriétés fondamentales des interactions fortes entre protons à des énergies ultra-élevées.

Une méthode de mesure innovante

Les auteurs de l’étude ont utilisé un système de mesure spécialement conçu pour cette tâche. Des détecteurs ont été stratégiquement placés à plus de 200 mètres du point de collision, permettant de mesurer les protons dispersés à des distances minimes du faisceau d’accélérateur, avec une précision extrême. Cette précision est essentielle pour obtenir des données robustes sur les interactions fortes entre protons à des énergies ultra-élevées.

Pour atteindre un tel niveau de précision, les détecteurs ont été placés à l’intérieur du tuyau de faisceau de l’accélérateur, sans perturber l’expérience. Les chercheurs ont utilisé des dispositifs appelés « pots romains », nommés ainsi en raison de leur forme qui rappelle celle des pots antiques. Ces pots romains ont permis de placer les détecteurs à proximité immédiate du faisceau pendant la collecte des données.

Défis et solutions dans la configuration du LHC

La configuration des champs magnétiques façonnant le faisceau de l’accélérateur LHC a été un aspect crucial de cette expérience. Ces champs magnétiques sont essentiels pour guider les protons à travers l’accélérateur et les diriger vers le point de collision. Dans les expériences conventionnelles, l’objectif est souvent de maximiser la focalisation du faisceau, c’est-à-dire de rapprocher les protons les uns des autres au point de collision.

Cependant, dans le cas de cette étude, une forte focalisation du faisceau aurait en fait été un obstacle à des mesures précises. En effet, une forte focalisation du faisceau entraîne une grande divergence angulaire des protons après la collision, les éloignant les uns des autres à des angles importants. Cette grande divergence angulaire rend difficile la mesure précise des protons dispersés.

Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont utilisé une configuration spéciale de l’aimant qui a minimisé la divergence du faisceau. Cela a permis de réduire également la divergence angulaire des protons après la collision.

Résultats et implications pour la physique des particules

L’expérience a permis de mesurer la distribution de l’angle de diffusion, fournissant ainsi des informations sur les propriétés fondamentales des interactions nucléaires fortes à haute énergie. De plus, grâce aux propriétés quantiques de la diffusion élastique, tels que le théorème optique et les effets d’interférence, les chercheurs ont pu extraire des informations précieuses.

La mesure précise de la section efficace totale, qui décrit la probabilité de tout type de collision proton-proton et qui est liée à la taille du proton, à une énergie de 13 TeV a confirmé l’augmentation de la section efficace totale avec l’énergie de collision. En d’autres termes, la taille du proton s’étend avec l’énergie.

Enfin, les résultats de cette expérience ont révélé une différence significative entre le rapport mesuré expérimentalement des parties réelle et imaginaire de l’amplitude nucléaire et celui prédit par les modèles théoriques pré-LHC. Cette différence remet en question certaines hypothèses sur les propriétés des interactions fortes et ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche future.

En conclusion, grâce à l’expérience ATLAS au LHC, une équipe de chercheurs a réalisé une avancée majeure dans la compréhension des interactions fortes entre protons à des énergies ultra-élevées. Cette découverte, qui remet en question certains modèles théoriques existants, enrichit notre compréhension de la physique des particules et ouvre de nouvelles perspectives passionnantes pour la recherche future.