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Matière

Les quarks étranges, fugitifs constituants des protons

Les protons et les neutrons, qui s'assemblent pour former les noyaux atomiques, ont longtemps été considérés comme les constituants ultimes de la matière. Mais dans les années 1970, les physiciens ont montré qu'ils étaient en réalité eux-mêmes constitués de particules plus élémentaires, les « quarks » (porteurs d'une charge électrique). Plus précisément, ils sont faits de l'assemblage de quarks up et down (les deux quarks les plus légers, parmi les six existant dans l'Univers).

Ces quarks up et down sont liés par l'interaction forte : plus on cherche à éloigner deux quarks, plus ils s'attirent. Les quarks ne peuvent pas être extraits des protons ou des neutrons et observés à l'état libre. Pour rendre compte de ce nouvel état de fait, les physiciens ont construit une théorie, appelée la chromodynamique quantique (dont les auteurs ont reçu le prix Nobel en 2004). Cette théorie prévoit que protons et neutrons ne sont pas constitués des seuls quarks up et down, mais également d'une « mer » de paires quark/anti-quark, dont ceux de type « étrange », produites durant une fraction de seconde par l'interaction forte entre quarks up et down. Les quarks étranges de cette mer, les plus légers après les quarks up et down, peuvent se matérialiser fréquemment et influer sur les propriétés globales du proton. La mesure d'un tel effet sur les distributions de charges et de moments magnétiques à l'intérieur du proton est en cours depuis une décennie.

L'expérience réalisée par la collaboration G-zéro au JLab est conçue pour observer les distributions de charges et de moments magnétiques dans les protons, un peu comme on observe la structure interne du corps humain par radiographie X. Pour observer le proton à son échelle (10-15 mètre), les physiciens utilisent des faisceaux d'électrons d'une énergie de plusieurs milliards d'électrons-volts (plus les objets à observer sont petits, plus l'énergie nécessaire est grande). La qualité des faisceaux et des ensembles de détection représente une prouesse technique. Avec ces instruments, la collaboration G-zéro a réussi à mettre en évidence l'influence des quarks étranges, malgré leur apparition fugitive, sur les distributions des charges et des moments magnétiques à l'intérieur des protons. De façon générale, la connaissance de cette distribution aidera les physiciens à comprendre comment l'interaction forte crée une « mer » de particules. Ce résultat est donc important pour la compréhension générale de l'interaction forte, qui régit les comportements du monde subatomique, notamment la construction d'objets aussi fondamentaux que les protons et les neutrons, et pour sa description dans le cadre de la théorie de la chromodynamique quantique.

CNRS

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