Les scientifiques ont développé une nouvelle façon d’étudier la forme des noyaux atomiques et leurs éléments constitutifs internes. La méthode repose sur la modélisation de la production de certaines particules à partir de collisions d’électrons à haute énergie avec des cibles nucléaires. De telles collisions auront lieu au futur collisionneur électron-ion (EIC). Les résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters.
Ces résultats montrent que les collisions qui produisent exclusivement des mésons uniques (une particule composée d'un quark et d'un antiquark) offrent un aperçu de la structure à grande échelle du noyau, par exemple sa taille et sa forme. Cela permettra de révéler à quel point le noyau ressemble à un cigare ou à une crêpe. Les mésons à impulsion plus élevée peuvent révéler la structure nucléaire à des échelles plus courtes, y compris l'arrangement des quarks et des gluons au sein des protons et des neutrons.
Ces travaux suggèrent que l’étude des mésons produits lors des collisions EIC fournira de nouvelles informations sur la structure des noyaux atomiques. Cette méthode se distingue des méthodes traditionnelles telles que la collision de deux noyaux à une énergie relativement faible et l'élimination d'un neutron ou d'un proton, ou l'excitation de noyaux dans un champ électromagnétique.
Ces méthodes traditionnelles sont sensibles à la répartition de la charge électrique au sein des noyaux. Mais la nouvelle méthode donne un aperçu de la distribution des gluons, les particules qui maintiennent ensemble les quarks qui composent ces plus grands éléments constitutifs nucléaires. Cela fait de la méthode une forme plus profonde de « vision aux rayons X » pour les atomes.
Ces travaux réalisés par des théoriciens du Brookhaven National Laboratory, de l'Université de Jyvaskyla en Finlande et de la Wayne State University fournissent un cadre théorique pour l'étude de la structure nucléaire au futur EIC. L'EIC est une installation de recherche en physique nucléaire de pointe en cours de construction au Brookhaven Lab.
La recherche montre que les collisions EIC qui produisent exclusivement des mésons à vecteur unique seront sensibles à la structure détaillée de la cible nucléaire. Dans ces collisions, la cible peut rester intacte ou se briser. Lors de sa rupture, la section efficace, qui mesure la probabilité que le processus se produise, est sensible aux fluctuations de la cible. Celles-ci peuvent être provoquées par des fluctuations de position des neutrons et des protons. Les nouveaux travaux montrent que lorsque la cible est déformée, ces fluctuations sont considérablement modifiées, modifiant ainsi la section efficace mesurée.
Étant donné que les mesures sont effectuées à une énergie de collision beaucoup plus élevée que les expériences traditionnelles sur la structure nucléaire, les interactions sont sensibles à la distribution des gluons à l'intérieur des protons et des neutrons du noyau.
La mesure de la distribution des gluons à l'intérieur du noyau, plutôt que de la distribution de la charge électrique, fournira de nouvelles informations sur la différence entre ces deux distributions et sur la façon dont la distribution des gluons dépend de l'énergie utilisée pour effectuer la mesure.
Cette technique ouvre une nouvelle direction pour la recherche à l’EIC et pourrait conduire à des informations importantes qui complètent les informations issues des expériences traditionnelles sur la structure nucléaire. Cela aidera les scientifiques à comprendre comment les formes nucléaires évoluent avec l’énergie et fournira de nouvelles informations sur la structure nucléaire qui étaient auparavant inaccessibles.