Première observation expérimentale de noyaux d'antikaons par faisceau de photons

La collaboration “LEPS2/Solenoid”, composée de chercheurs du Centre de recherche en physique nucléaire de l'Université d'Osaka, de l'Université de Kyoto Sangyo, du Centre de recherche avancée sur les sciences des faisceaux quantiques de l'Université de Tohoku, de l'Université de Corée, de l'Université de Gifu, de l'Institut de physique moderne de Chine, de RIKEN, de l'Université de Kyoto, de l'Academia Sinica de Taïwan et de l'Université de Saskatchewan au Canada, a observé pour la première fois des noyaux contenant des antikaons à l'aide d'expériences par faisceau de photons. Ce résultat fournit de nouvelles preuves expérimentales confirmant l'existence de noyaux d'antikaons et offre des indices importants pour comprendre la matière nucléaire à haute densité et la structure interne des étoiles à neutrons.

L'équipe de recherche a mené l'expérience sur le dispositif expérimental LEPS2 à laser-électrons à l'installation de rayonnement synchrotron à grande échelle SPring-8 dans la préfecture de Hyogo, au Japon, en utilisant un spectromètre à solénoïde de grande taille pour observer les réactions résultant de la collision de photons avec des deutérons. Au cours de l'expérience, les chercheurs ont utilisé des rayons gamma de haute énergie de 1,3 à 2,4 GeV produits par diffusion Compton entre un laser ultraviolet et des électrons de haute énergie de 8 GeV comme faisceau de photons, qu'ils ont irradiés sur une cible d'hydrogène lourd liquide, en identifiant les processus de réaction par la mesure de l'impulsion et de l'énergie des particules chargées.

L'antikaon intervient, agissant comme une colle qui lie fermement les protons et les neutrons (collectivement appelés nucléons) dans le noyau atomique

Les noyaux atomiques ordinaires sont composés de protons et de neutrons, et la liaison entre protons et neutrons est généralement décrite par l'interaction médiée par les mésons π. Les antikaons sont une classe de mésons contenant un quark s, et on pense qu'ils peuvent pénétrer à l'intérieur du noyau atomique, liant les nucléons plus fortement comme une “colle”, formant ainsi un état spécial plus compact que les noyaux atomiques ordinaires. Auparavant, des expériences avec des faisceaux d'antikaons à J-PARC avaient rapporté des signaux candidats, mais la question clé restait de savoir si cet état pouvait être confirmé dans différents mécanismes de réaction.

Dans cette expérience, la production et l'observation réussies de noyaux d'antikaons dans une collision photon-deutéron ne contenant pas de quark s démontrent que les antikaons peuvent jouer un rôle important dans la formation d'états liés nucléaires. L'étude a également distingué les événements de signal des événements de bruit de fond en utilisant les distributions d'impulsion des hypérons Λ et des protons. Les résultats montrent que les deux nucléons dans le noyau d'antikaon produit peuvent être liés plus étroitement que les nucléons dans un deutéron ordinaire.

L'équipe de recherche estime que ce résultat d'observation, en corrélation avec les résultats expérimentaux antérieurs de J-PARC, renforce encore la possibilité de l'existence de noyaux d'antikaons. Étant donné que l'interaction entre les antikaons et les nucléons est considérée comme étroitement liée aux propriétés de la matière nucléaire à haute densité, ce résultat devrait favoriser la recherche sur l'état de la matière à l'intérieur d'objets célestes extrêmes tels que les étoiles à neutrons.

Les résultats de cette recherche ont été publiés le 9 juillet dans la revue internationale de physique Physics Letters B. L'article est intitulé “Evidence for a KNN quasi-bound state in the γd→KΛp reaction”.