Le rayon de masse d’un proton est plus petit que le rayon de la charge électrique (noyau dense), tandis qu’un nuage d’activité de gluon standard s’étend au-delà du rayon de charge. Cette découverte pourrait éclairer le confinement et la distribution de masse dans le proton. Crédit : Laboratoire National d’Argonne

Une expérience « sorcière » révèle la masse d’un gluon dans un proton

L’identification expérimentale des facteurs de forme gravitationnelle gluonique du proton a peut-être révélé une partie de la masse cachée du proton.

Les physiciens nucléaires ont peut-être enfin identifié où dans un proton réside une grande partie de sa masse. Une expérience récente menée au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Département américain de l’énergie a révélé le rayon de masse d’un proton généré par la force forte lorsqu’il colle ensemble les quarks constructeurs de protons. Le résultat a été publié dans la revue le 29 mars nature.

L’un des plus grands mystères du proton est l’origine de sa masse. Il s’avère que la masse mesurée d’un proton ne provient pas seulement de ses éléments constitutifs physiques, les soi-disant trois quarks de valence.

« Si vous additionnez les masses de quarks du modèle standard dans un proton, vous n’obtenez qu’une petite fraction de la masse du proton », a expliqué le co-conférencier de l’expérience Sylvester Justin, physicien expérimental au Laboratoire national d’Argonne du DOE.

Au cours des dernières décennies, les physiciens nucléaires ont provisoirement conclu que la masse du proton provenait de plusieurs sources. Premièrement, il obtient une certaine masse des masses de ses quarks, et un peu plus de masse de ses mouvements. Ensuite, vous obtenez une masse d’énergie de force forte qui colle ces quarks ensemble, et cette force se manifeste sous forme de « gluons ». Enfin, vous obtenez une masse d’interactions dynamiques de quarks et de protons-gluons.

Cette nouvelle mesure a peut-être enfin mis en lumière la masse générée par les protons-gluons en localisant le matériau que ces gluons génèrent. Ce rayon du noyau de matière se trouve au centre du proton. Le résultat semble également indiquer que ce noyau a une taille différente du rayon de charge bien mesuré d’un proton, une quantité qui est souvent utilisée comme approximation de la taille d’un proton.

« Le rayon de cette structure de masse est plus petit que le rayon de la charge, et cela nous donne donc en quelque sorte une idée de la hiérarchie de masse par rapport à la structure de charge du noyau », a déclaré Mark Jones, porte-parole de l’expérience, Holes A&C au Jefferson Lab. . chef.

Selon le co-auteur de l’expérience, Zainuddin Maziani, scientifique au Laboratoire national d’Argonne du Département de l’énergie, cette découverte a en fait été quelque peu surprenante.

« Ce que nous avons trouvé est quelque chose auquel nous ne nous attendions pas vraiment de cette façon. Le but initial de cette expérience était de rechercher le pentaquark qui a été rapporté par les chercheurs de[{ » attribute= » »>CERN,” Meziani said

The experiment was performed in Experimental Hall C in Jefferson Lab’s Continuous Electron Beam Accelerator Facility, a DOE Office of Science user facility. In the experiment, energetic 10.6 GeV (billion electron-volt) electrons from the CEBAF accelerator were sent into a small block of copper. The electrons were slowed down or deflected by the block, causing them to emit bremsstrahlung radiation as photons. This beam of photons then struck the protons inside a liquid hydrogen target. Detectors measured the remnants of these interactions as electrons and positrons.

The experimenters were interested in those interactions that produced J/ Ψ particles amongst the hydrogen’s proton nuclei. The J/ Ψ is a short-lived meson that is made of charm/anti-charm quarks. Once formed, it quickly decays into an electron/positron pair.

Of the billions of interactions, the experimenters found about 2,000 J/ Ψ particles in their cross-section measurements of these interactions by confirming the coincident electron/positron pairs.

“It’s similar to what we’ve been doing all along. By doing elastic scattering of the electron on the proton, we’ve been getting the proton’s charge distribution,” said Jones. “In this case, we did exclusive photo-production of the J/ Ψ from the proton, and we’re getting the gluon distribution instead of the charge distribution.”

The collaborators were then able to insert these cross-section measurements into theoretical models that describe the gluonic gravitational form factors of the proton. The gluonic form factors detail the mechanical characteristics of the proton, such as its mass and pressure.

“There were two quantities, known as gravitational form factors, that we were able to pull out, because we had access to these two models: the generalized parton distributions model and the holographic quantum chromodynamics (QCD) model. And we compared the results from each of these models with lattice QCD calculations,” Meziani added.

From two different combinations of these quantities, the experimenters determined the aforementioned gluonic mass radius dominated by graviton-like gluons, as well as a larger radius of attractive scalar gluons that extend beyond the moving quarks and confine them.

“One of the more puzzling findings from our experiment is that in one of the theoretical model approaches, our data hint at a scalar gluon distribution that extends well beyond the electromagnetic proton radius,” Joosten said. “To fully understand these new observations and their implications on our understanding of confinement, we will need a new generation of high-precision J/ Ψ experiments.”

One possibility for further exploration of this tantalizing new result is the Solenoidal Large Intensity Device experiment program, called SoLID. The SoLID program is still in the proposal stage. If approved to move forward, experiments conducted with the SoLID apparatus would provide new insight into J/ Ψ production with the SoLID detector. It will really be able to make high-precision measurements in this region. One of the major pillars of that program is J/ Ψ production, along with transverse momentum distribution measurements and parity-violating deep inelastic scattering measurements,” Jones said.

Jones, Joosten and Meziani represent an experimental collaboration that includes more than 50 nuclear physicists from 10 institutions. The spokespeople also want to highlight Burcu Duran, the lead author and a postdoctoral research associate at the University of Tennessee, Knoxville. Duran featured this experiment in her Ph.D. thesis as a graduate student at Temple University, and she was a driving force behind the analysis of the data.

The collaboration conducted the experiment over about 30 days in February-March 2019. They agree that this new result is intriguing, and they say that they all are looking forward to future results that will shed additional light on the glimpses of new physics that it implies.

“The bottom line for me – there’s an excitement right now. Could we find a way to confirm what we are seeing? Is this new picture information going to stick?” Meziani said. “But to me, this is really very exciting. Because if I think now of a proton, we have more information about it now than we’ve ever had before.”

Reference: “Determining the gluonic gravitational form factors of the proton” by B. Duran, Z.-E. Meziani, S. Joosten, M. K. Jones, S. Prasad, C. Peng, W. Armstrong, H. Atac, E. Chudakov, H. Bhatt, D. Bhetuwal, M. Boer, A. Camsonne, J.-P. Chen, M. M. Dalton, N. Deokar, M. Diefenthaler, J. Dunne, L. El Fassi, E. Fuchey, H. Gao, D. Gaskell, O. Hansen, F. Hauenstein, D. Higinbotham, S. Jia, A. Karki, C. Keppel, P. King, H. S. Ko, X. Li, R. Li, D. Mack, S. Malace, M. McCaughan, R. E. McClellan, R. Michaels, D. Meekins, Michael Paolone, L. Pentchev, E. Pooser, A. Puckett, R. Radloff, M. Rehfuss, P. E. Reimer, S. Riordan, B. Sawatzky, A. Smith, N. Sparveris, H. Szumila-Vance, S. Wood, J. Xie, Z. Ye, C. Yero and Z. Zhao, 29 March 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4

Funding: DOE/US Department of Energy