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Compass : les quarks du proton sous le feu de muons puis de pions


Les physiciens de la collaboration Compass (Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) au Cern, à laquelle appartient une équipe de l'Irfu, apportent la confirmation expérimentale d'une prédiction paradoxale de la théorie de l'interaction forte, liant notamment les quarks et les gluons à l'intérieur du proton.
Publié le 7 décembre 2017
​Les protons sont composés de quarks qui ne cessent d'interagir en échangeant des gluons, des particules considérées comme les vecteurs de l'interaction forte. Ces quarks sont mobiles à l'intérieur du proton.

Or il est possible de sonder directement la distribution des impulsions des quarks dans une cible de protons grâce à un faisceau de particules de très haute énergie. Ces dernières, des muons (variété lourde d'électron) ou des pions (particules composites), interagissent alors directement avec les quarks dans les protons, produisant respectivement un nombre mesurable de pions ou de paires de muons (l'un positif et l'autre négatif).

Lorsque les protons sont préparés dans deux états quantiques distincts, à très basse température (à seulement quelques centièmes de kelvin), les physiciens s'attendent à observer une asymétrie de leurs mesures en fonction de l'état du proton. Plus étonnant, ils prévoient que leurs mesures avec les muons et avec les pions portent des signes différents. C'est précisément cette voie que les chercheurs de Compass ont choisie pour mettre à l'épreuve une prédiction théorique de la chromodynamique quantique (QCD).

En 2012, une première série de mesures avec des muons a été réalisée au Cern par la collaboration Compass sur la plus grande cible au monde, contenant des protons dans chacun des deux états quantiques. En 2015, cette série a été complétée par des mesures avec des pions d'énergie sensiblement égale sur la même cible. Plusieurs dizaines de milliers de paires de muons ont été détectées. Ce nombre impressionnant ne permet cependant pas tout à fait aux physiciens de conclure définitivement. Ils devront encore patienter jusqu'à la fin 2018 pour valider rigoureusement la prédiction de la QCD. 

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