L'équipe de l'USTC participe à l'expérience STAR et découvre l'existence possible d'un « nœud de gluons en forme de Y » à l'intérieur des nucléons

L'Université des sciences et technologies de Chine (USTC), en collaboration avec l'Université d'État du Kent et le Laboratoire national de Brookhaven, a joué un rôle de premier plan au sein de la collaboration internationale STAR. Grâce à des mesures précises du nombre baryonique net et de la charge nette dans les expériences de collisions noyau-noyau à haute énergie, ils ont découvert une structure singulière à l'intérieur des nucléons, susceptible de bouleverser la compréhension fondamentale de la structure interne des nucléons. Aux premières heures du 14 août, ces résultats ont été publiés en ligne dans la revue Science sous le titre “Tracking the baryon number with nuclear collisions”.

Les nucléons sont les particules élémentaires qui composent le monde matériel ; plus de 99 % de la masse de la matière visible dans l'univers est portée par les nucléons. Comprendre la structure interne des nucléons est d'une importance capitale pour appréhender la composition fondamentale et les interactions fondamentales du monde matériel. On considère généralement que les nucléons sont composés de quarks (y compris les antiquarks) et de gluons. Les quarks portent une charge électrique de +2/3 ou -1/3 et un nombre baryonique de 1/3 ; les antiquarks portent des charges et des nombres baryoniques opposés à ceux des quarks, tandis que les gluons ne portent ni charge électrique ni nombre baryonique. Le groupe de physique des collisions d'ions lourds de l'USTC, dirigé par le professeur Tang Zebo et ses collaborateurs, a découvert grâce à des mesures expérimentales précises que la structure interne des nucléons nécessite une structure fondamentale portant un nombre baryonique mais sans charge électrique ni charge de couleur, ce qui constitue un défi majeur au modèle naïf de quarks utilisé pour décrire la structure interne des nucléons.

Cette étude a produit des résultats cohérents sous deux aspects. L'équipe expérimentale a d'abord mesuré le degré de décélération des nucléons dans les noyaux atomiques en mouvement rapide. Le degré de décélération des nucléons en mouvement rapide est étroitement lié à la structure interne fondamentale des nucléons et à leurs interactions. La collaboration internationale STAR a effectué des mesures précises du degré de décélération des nucléons dans les collisions noyau-noyau à haute énergie, puis a poursuivi avec des mesures du degré de décélération des nucléons dans les collisions photon-noyau. Les résultats expérimentaux présentent des écarts importants par rapport aux calculs théoriques basés sur le modèle naïf de quarks de la structure interne des nucléons, mais concordent avec les calculs théoriques basés sur un « nœud de gluons en forme de Y » composé de trois gluons reliés entre eux. La différence majeure entre ce nœud de gluons et un gluon individuel est qu'il porte une unité de nombre baryonique, ce qui lui permet de transporter le nombre baryonique et favorise la décélération des baryons.

Parallèlement, l'équipe expérimentale a mesuré avec précision le rapport entre le nombre de baryons décélérés et le nombre de charges. Dans le modèle naïf de quarks, seuls les quarks portent le nombre baryonique ; en mesurant le nombre total de baryons décélérés, on peut obtenir le nombre total de quarks décélérés, et donc la charge attendue. La charge mesurée expérimentalement ne représente que la moitié de la valeur attendue, ce qui indique qu'en plus des quarks et des gluons, les nucléons nécessitent une structure fondamentale portant un nombre baryonique mais sans charge électrique. Les composants fondamentaux traditionnels du nucléon, à savoir les quarks et les gluons, ne possèdent pas ces caractéristiques, tandis que le « nœud de gluons en forme de Y » mentionné ci-dessus les possède.

Les résultats de ces deux types d'études expérimentales ne soutiennent pas l'image de la structure interne des nucléons du modèle naïf de quarks, indiquant l'existence d'une structure singulière dans les nucléons. Actuellement, le nœud de gluons est la seule théorie capable de décrire de manière cohérente les résultats de ces études expérimentales systématiques. Cette recherche pourrait ouvrir un nouveau chapitre de la physique des particules.

Le groupe de physique des collisions d'ions lourds de l'USTC est financé par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le ministère des Sciences et Technologies, l'Académie chinoise des sciences et l'Université des sciences et technologies de Chine. Le professeur Tang Zebo de ce groupe, ainsi que ses doctorants Li Yang (diplômé) et Lü Wendi, ont joué un rôle central dans cette étude expérimentale.