La question de la structure interne des hadrons – parmi lesquels figure le proton – taraude les physiciens depuis les années 1930.

Ces particules composites contiennent des gluons, et une multitude de quarks et d'antiquarks dont la grande majorité s'annihile et se reforme sans cesse. Il existe cependant deux classes de hadrons :

• les mésons qui comptent deux quarks « persistants », dits de valence,
• les baryons qui en comptent trois (proton, neutron).

Chaque particule élémentaire composant un hadron est décrite par une probabilité de présence et d'impulsion (produit masse × vitesse). Ce sont ces lois de probabilité que les physiciens des hadrons s'efforcent de déterminer.

Des chercheurs de l'Irfu et du centre polonais de recherche nucléaire (NCBJ) ont entrepris d'étudier des lois de probabilités relatives au proton animé d'une vitesse relativiste (appelées « distributions de partons généralisées » ou GPD, où un parton est un gluon ou un quark) via le processus physique le plus indiqué : la diffusion Compton à grande virtualité (DVCS) d'un photon sur le proton.

Dans le processus DVCS, un photon virtuel est absorbé par un quark du proton qui emmagasine ainsi une grande quantité d'énergie. Ce quark se propage sur une courte distance avant de libérer cette énergie sous la forme d'un photon réel. En chemin, il peut également émettre et absorber des gluons, ce qui modifie sa propagation. Ce mécanisme agit comme un filtre, empêchant les physiciens de reconstruire fidèlement toutes les GPD à partir des données expérimentales du DVCS.

Conscients du problème, les physiciens ont baptisé ces GPD indétectables par le DVCS les « GPD de l'ombre » et ont apporté des corrections à leur modèle afin de prendre en compte les émissions de gluons par le quark. Certaines GPD sont alors apparues en pleine lumière mais d'autres restent obstinément dans l'ombre…

C'est pourquoi les chercheurs envisagent désormais d'ajouter des processus physiques supplémentaires :

• la production de deux photons au lieu d'un seul,
• la production de mésons,
• la production d'un photon virtuel se décomposant en une paire de leptons (électrons, muons, etc.).

Ces processus permettront-ils de combler les lacunes du DVCS ? La question n'est pas encore tranchée.

En s'appuyant sur la plateforme logicielle PARTONS (Partonic Tomography of Nucleon Software) qu'ils ont développée, les scientifiques de l'Irfu et du NCBJ ont bon espoir de quantifier et d'extraire l'information accessible sur la structure spatiale des quarks et gluons à l'intérieur du proton. Des expériences qui prépareront la voie aux futurs collisionneurs électrons-ions aux États-Unis (EIC) et en Chine (EicC).